A stable rhombohedral phase in ferroelectric Hf(Zr) 1+ x O 2 capacitor with ultralow coercive field

铁电性 材料科学 矫顽力 光电子学 扫描透射电子显微镜 透射电子显微镜 凝聚态物理 纳米技术 冶金 电介质 物理
作者
Yuan Wang,Lei Tao,Roger Guzmán,Qing Luo,Wu Zhou,Yang Yang,Yingfen Wei,Yu Liu,Pengfei Jiang,Yu‐Ting Chen,Shuxian Lv,Yaxin Ding,Wei Wei,Tiancheng Gong,Yan Wang,Qi Liu,Shixuan Du,Ming Liu
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:381 (6657): 558-563 被引量:107
标识
DOI:10.1126/science.adf6137
摘要

Hafnium oxide-based ferroelectric materials are promising candidates for next-generation nanoscale devices because of their ability to integrate into silicon electronics. However, the intrinsic high coercive field of the fluorite-structure oxide ferroelectric devices leads to incompatible operating voltage and limited endurance performance. We discovered a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS)-compatible rhombohedral ferroelectric Hf(Zr)1+xO2 material rich in hafnium-zirconium [Hf(Zr)]. X-ray diffraction combined with scanning transmission electron microscopy reveals that the excess Hf(Zr) atoms intercalate within the hollow sites. We found that the intercalated atoms expand the lattice and increase the in-plane and out-of-plane stresses, which stabilize both the rhombohedral phase (r-phase) and its ferroelectric properties. Our ferroelectric devices, which are based on the r-phase Hf(Zr)1+xO2, exhibit an ultralow coercive field (~0.65 megavolts per centimeter). Moreover, we achieved a high endurance of more than 1012 cycles at saturation polarization. This material discovery may help to realize low-cost and long-life memory chips.
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