[論文レビュー] Ferroelectric and dielectric properties of Hf0.5Zr0.5O2 thin film near morphotropic phase boundary

Alireza Kashir, Hyunsang Hwang|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2021

Ferroelectric and Negative Capacitance Devices参考文献 39被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、原子層エピタキシー法におけるオゾン供給量およびアニール条件を調整することでテトラゴナル相（t）対正方晶相（o）比（f_{t/o}）を制御し、マルフォロピック相境界（MPB）近傍におけるHf0.5Zr0.5O2（Hf0.5Zr0.5O2）薄膜のフェロエレクトリックおよび誘電的性質を調査した。結果として、最小限のt相分率（f_{t/o} ~ 0.04）が分極（Pr）とクーロン場（Ec）を最大化するのに対し、より高いf_{t/o}（~0.41）では誘電率（~55）が大きく、MPB近傍における相組成と誘電応答の直接的な相関関係が確認された。

ABSTRACT

Recently, based on the phase-field modeling, it was predicted that Hf1-xZrxO2 (HZO) exhibits the morphotropic phase boundary (MPB) in its compositional phase diagram. Here, we investigate the effect of structural changes between tetragonal (t) and orthorhombic (o) phases on the ferroelectric and dielectric properties of HZO films to probe the existence of MPB region. The structural analysis show that by adjusting the ozone dosage during the atomic layer deposition process and annealing conditions, different ratios of t- to o-phases (f_(t/o) ) were achieved which consequently affect the ferroelectric and dielectric properties of the samples. Polarization versus electric field measurements show a remarkable increase in ferroelectric characteristics (Pr and Ec) of the sample that contains the minimum t-phase fraction (f_(t/o)~ 0.04). This sample shows the lowest dielectric constant compared to the other samples which is due to the formation of ferroelectric o-phase. The sample that contains the maximum f_(t/o)~ 0.41 demonstrates the highest dielectric response. By adjusting the f_(t/o), a large dielectric constant of ~ 55 is achieved. Our study reveals a direct relation between f_(t/o) and dielectric constant of HZO thin films which can be understood by considering the density of MPB region.

研究の動機と目的

• テトラゴナル相（t）および正方晶相（o）分率がHf0.5Zr0.5O2薄膜のフェロエレクトリックおよび誘電的性質に与える影響を調査すること。
• ALDプロセスにおけるt相対o相比（f_{t/o}）を調整することで、Hf0.5Zr0.5O2にマルフォロピック相境界（MPB）が存在するかを特定すること。
• 構造的相組成とフェロエレクトリック特性（Pr、Ec）および誘電応答の相関関係を明らかにすること。
• 誘電率とフェロエレクトリック特性を最大化する最適な相比を同定すること。

提案手法

• Hf0.5Zr0.5O2薄膜の成長に原子層エピタキシー法（ALD）を用い、オゾン供給量およびアニール条件を制御した。
• X線回折または類似手法を用いて、テトラゴナル相対正方晶相比（f_{t/o}）を決定するための構造的相分析を実施した。
• 残留分極（Pr）およびクーロン場（Ec）などのフェロエレクトリック特性を評価するために、分極-電界（P-E）ヒステリシスループを測定した。
• 容量-電圧（C-V）測定またはインピーダンススペクトロスコピーから誘電率を抽出した。
• ALDプロセスパラメータの調整により相組成を系統的に変化させ、MPB領域を探索した。
• 相場モデル予測を基に、期待されるMPB組成に向けた実験的設計を支援した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相場モデル予測通り、Hf0.5Zr0.5O2系はマルフォロピック相境界（MPB）を示すか？
• RQ2 t相対o相比（f_{t/o}）は、Hf0.5Zr0.5O2薄膜のフェロエレクトリック特性（PrおよびEc）にどのように影響を与えるか？
• RQ3 MPB近傍におけるHf0.5Zr0.5O2薄膜の相組成と誘電率の関係は何か？
• RQ4 f_{t/o}比を調整することで、高い誘電率（~55）を達成できるか？
• RQ5 フェロエレクトリックおよび誘電応答を両方最大化する最適なf_{t/o}比は存在するか？

主な発見

• t相分率が最小（f_{t/o} ~ 0.04）の試料が、最大の残留分極（Pr）とクーロン場（Ec）を示し、最適なフェロエレクトリック性能を示した。
• 同様の試料では誘電率が最小であり、これはフェロエレクトリック相であるo相が優勢に形成されたためとされた。
• f_{t/o}が最大（~0.41）の試料は、最大の誘電応答を示し、誘電率約55を達成した。
• f_{t/o}比と誘電率の間には直接的な相関関係が観察され、Hf0.5Zr0.5O2薄膜にMPB領域が存在することを裏付けた。
• ALDプロセスパラメータによるt相対o相比の調整により、フェロエレクトリックおよび誘電的性質の両方を制御可能であることが確認された。
• 実験的にMPB近傍での誘電応答の増大を示すことで、相場モデル予測のHf0.5Zr0.5O2におけるMPBの存在を裏付けた。