Ferroelectricity and Antiferroelectricity of Doped Thin HfO2‐Based Films

材料科学 铁电性 薄膜 反铁电性 光电子学 兴奋剂 矫顽力 带隙 掺杂剂 电容器 电介质 纳米技术 凝聚态物理 电气工程 电压 工程类 物理
作者
Min Hyuk Park,Young Hwan Lee,Han‐Joon Kim,Yu Jin Kim,Taehwan Moon,Keum Do Kim,Johannes Müller,Alfred Kersch,Uwe Schroeder,Thomas Mikolajick,Cheol Seong Hwang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:27 (11): 1811-1831 被引量:1103
标识
DOI:10.1002/adma.201404531
摘要

The recent progress in ferroelectricity and antiferroelectricity in HfO2-based thin films is reported. Most ferroelectric thin film research focuses on perovskite structure materials, such as Pb(Zr,Ti)O3, BaTiO3, and SrBi2Ta2O9, which are considered to be feasible candidate materials for non-volatile semiconductor memory devices. However, these conventional ferroelectrics suffer from various problems including poor Si-compatibility, environmental issues related to Pb, large physical thickness, low resistance to hydrogen, and small bandgap. In 2011, ferroelectricity in Si-doped HfO2 thin films was first reported. Various dopants, such as Si, Zr, Al, Y, Gd, Sr, and La can induce ferro-electricity or antiferroelectricity in thin HfO2 films. They have large remanent polarization of up to 45 μC cm(-2), and their coercive field (≈1-2 MV cm(-1)) is larger than conventional ferroelectric films by approximately one order of magnitude. Furthermore, they can be extremely thin (<10 nm) and have a large bandgap (>5 eV). These differences are believed to overcome the barriers of conventional ferroelectrics in memory applications, including ferroelectric field-effect-transistors and three-dimensional capacitors. Moreover, the coupling of electric and thermal properties of the antiferroelectric thin films is expected to be useful for various applications, including energy harvesting/storage, solid-state-cooling, and infrared sensors.
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