An Aqueous Route to Oxygen-Deficient Wake-Up-Free La-Doped HfO2 Ferroelectrics for Negative Capacitance Field Effect Transistors

材料科学 铁电性 氧气 掺杂剂 兴奋剂 无定形固体 纳米晶材料 电容 纳米技术 化学工程 电极 光电子学 电介质 化学 结晶学 有机化学 工程类 物理化学
作者
Pavan Pujar,Haewon Cho,Young‐Hoon Kim,Nicolò Zagni,Jeonghyeon Oh,Eunha Lee,Srinivas Gandla,Pavan Nukala,Young‐Min Kim,Muhammad A. Alam,Sunkook Kim,Muhammad Ashraful Alam,Sunkook Kim
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (19): 19076-19086 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c04983
摘要

The crucial role of nanocrystalline morphology in stabilizing the ferroelectric orthorhombic (o)-phase in doped-hafnia films is achieved via chemical solution deposition (CSD) by intentionally retaining carbonaceous impurities to inhibit grain growth. However, in the present study, large-grained (>100 nm) La-doped HfO2 (HLO) films are grown directly on silicon by adopting engineered water-diluted precursors with a minimum carbonaceous load and excellent shelf life. The o-phase stabilization is accomplished through a well-distributed La dopant, which generates uniformly populated oxygen vacancies, eliminating the need for oxygen-scavenging electrodes. These oxygen-deficient HLOs show a maximum remnant polarization of 37.6 μC/cm2 (2Pr) without wake-up and withstand large fields (>6.2 MV/cm). Furthermore, CSD-HLO in series with Al2O3 improves switching of MOSFETs (with an amorphous oxide channel) based on the negative capacitance effect. Thus, uniformly distributed oxygen vacancies serve as a standalone factor in stabilizing the o-phase, enabling efficient wake-up-free ferroelectricity without the need for nanostructuring, capping stresses, or oxygen-reactive electrodes.
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