Ultrahigh dielectric permittivity in Hf0.5Zr0.5O2 thin-film capacitors

电容器 电介质 材料科学 介电常数 光电子学 介电常数 薄膜 电气工程 纳米技术 电压 工程类
作者
Wen Di Zhang,Zhitang Song,S. Tang,Jingxuan Wei,Yan Cheng,Bin Li,Shiyou Chen,Zibin Chen,Anquan Jiang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 2679-2679 被引量:6
标识
DOI:10.1038/s41467-025-57963-8
摘要

The ever-shrinking electrostatic capacitor, which is capable of storing substantial quantities of electrical charge, has found widespread applications in high-storage-density dynamic random access memory and energy-efficient complementary metal-oxide-semiconductor devices. Despite the high energy storage densities (133-152 J/cm3) and efficiencies (75-90%) that have been realized using relaxor ferroelectric thick films, low-permittivity interfacial layers in the ultrathin films have caused the overall permittivity to be one to two orders of magnitude lower than expected. However, innovative use of complementary metal-oxide-semiconductor-compatible HfO2-based materials with high permittivities (~52) could enable integration of these capacitors into few-nanometre-scale devices. This study reports an ultrahigh dielectric permittivity of 921, stored charge density of 349 μC/cm2, and energy density of 584 J/cm3 with nearly 100% efficiency within near-edge plasma-treated Hf0.5Zr0.5O2 thin-film capacitors when the Hf-based material's ferroelectricity disappears suddenly after polarization fatigue. The ultrahigh dielectric permittivity originates from a distorted orthorhombic phase with ordered oxygen vacancies that enables high-density integration of extremely scaled logic and memory devices for low-voltage applications.
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