Write cycling endurance exceeding 1010 in sub-50 nm ferroelectric AlScN

纤锌矿晶体结构 材料科学 极化(电化学) 自行车 铁电性 氮化物 光电子学 矫顽力 缩放比例 电压 电极 光学 温度循环 可靠性(半导体)
作者
Hyunmin Cho,Y. Wang,Chloe Leblanc,Yinuo Zhang,Yunfei He,Zirun Han,Xiaolei Tong,Vidhu D. Bulumulla,Jonathan M. Tan,Roy H. Olsson,Deep Jariwala
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1): 1507-1507 被引量:2
标识
DOI:10.1038/s41467-025-68221-2
摘要

Wurtzite ferroelectrics, particularly aluminum scandium nitride (AlScN), have emerged as a promising material platform for non-volatile memories, offering high polarization values exceeding 100 μC/cm2. However, their high coercive fields (>3 MV/cm) have limited cycling endurance to ~107 cycles in previous reports. Here, we demonstrate unprecedented control of polarization switching in AlScN, achieving write cycling endurance exceeding 1010 cycles-a thousand-fold improvement over previous wurtzite ferroelectric benchmarks. Through precise voltage modulation in 45 nm-thick Al0.64Sc0.36N capacitors, we show that while complete polarization reversal (2Pr ≈ 200 μC/cm2) sustains ~108 cycles, partial switching extends endurance beyond 1010 cycles while maintaining a substantial polarization (>30 μC/cm2 for 2Pr). This exceptional endurance, combined with breakdown fields approaching 10 MV/cm in optimized 10 μm diameter devices, represents the highest reported values for any wurtzite ferroelectric. Our findings establish a new paradigm for reliability in nitride ferroelectrics, demonstrating that controlled partial polarization and size scaling enables both high endurance and energy-efficient operation.
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