Depletion induced depolarization field in Hf1−xZrxO2 metal-ferroelectric-semiconductor capacitors on germanium

铁电性 材料科学 矫顽力 场效应晶体管 电容器 半导体 锗 光电子学 磁滞 凝聚态物理 电介质 晶体管 电压 硅 电气工程 工程类 物理
作者
Christina Zacharaki,Polychronis Tsipas,Stefanos Chaitoglou,E. K. Evangelou,Marian Cosmin Istrate,L. Pintilie,A. Dimoulas
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:116 (18) 被引量:22
标识
DOI:10.1063/5.0007111
摘要

Germanium Metal-Ferroelectric-Semiconductor (MFS) capacitors based on ferroelectric Hf1−xZrxO2 (HZO) with clean, oxide free Ge/HZO interfaces emerge as an interesting layer structure for the fabrication of ferroelectric field effect transistor (FeFET) non-volatile memory devices. It is shown that, at low temperature (<160 K), a semiconductor depletion forms in Ge near the interface, resulting in an increase in coercive voltage by about 2 V, accompanied by a distortion of the ferroelectric hysteresis with subloop asymmetric behavior, which becomes more severe at higher frequencies of measurement. At higher temperatures, the Ge surface near the ferroelectric is easily inverted due to the low energy gap of Ge, providing sufficient screening of the polarization charge by minority free carriers, in which case, nearly ideal, symmetric hysteresis curves are recovered. The depolarization field is experimentally extracted from the coercive voltage and the capacitance measurements, is found to be ∼ 2.2 MV/cm in the low temperature range, comparable to the coercive field, then rapidly decreases at higher temperatures, and effectively diminishes at room temperature. This makes Ge MFSs good candidates for FeFETs for low voltage non-volatile memory with improved reliability.
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