Systematic studies of the effects of group-III dopants (La, Y, Al, and Gd) in Hf0.5Zr0.5O2 ferroelectrics by ab initio simulations

掺杂剂 材料科学 兴奋剂 钝化 铁电性 从头算 空位缺陷 从头算量子化学方法 电介质 带隙 相(物质) 哈夫尼亚 凝聚态物理 光电子学 纳米技术 化学 陶瓷 冶金 立方氧化锆 物理 有机化学 图层(电子) 分子
作者
Zhao Liang,Jirong Liu,Yi Zhao
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:119 (17) 被引量:16
标识
DOI:10.1063/5.0066169
摘要

La-doped Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) ferroelectrics have demonstrated great potential to solve the endurance challenge of hafnia-based ferroelectric memory. In this work, we systematically studied the doping effects of La in HZO by ab initio simulations and theoretically compared it with three other commonly used group-III dopants (Al, Y, and Gd). The physical mechanisms behind superior endurance are thoroughly analyzed based on the calculation results regarding phase stability, oxygen vacancy formation energy, migration barrier, and electronic structures. It has been discovered that among the four dopant candidates, La has the strongest stabilization effect of the ferroelectric phase in HZO. Also, under stoichiometric doping conditions, La and other group-III dopants were observed to increase the oxygen vacancy formation energy and make HZO less susceptible to dielectric breakdown. Finally, La, Al, or Y dopants replacing Hf or Zr can getter migrating oxygen vacancies and passivate the associated defect states in the bandgap. Based on these observations, guidelines were proposed for designing the doping method and concentrations to achieve the best endurance.
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