[论文解读] 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 9

一句话总结

本研究通过调节原子层沉积过程中的臭氧剂量和退火条件，调控Hf0.5Zr0.5O2（Hf0.5Zr0.5O2）薄膜中四方相（t）与正交相（o）的比例（f_{t/o}），探究其在准同晶相界（MPB）附近的铁电性和介电性能。结果表明，当t相分数最低（f_{t/o} ~ 0.04）时，剩余极化（Pr）和矫顽场（Ec）达到最大值，而当f_{t/o}较高（~0.41）时，介电常数达到约55，证实了相组成与MPB附近增强介电响应之间存在直接关联。

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.

研究动机与目标

• 探究Hf0.5Zr0.5O2薄膜中四方相（t）与正交相（o）分数对铁电性和介电性能的影响。
• 通过调节t相与o相的比例（f_{t/o}），确定Hf0.5Zr0.5O2中是否存在准同晶相界（MPB）。
• 关联结构相组成与铁电性能（Pr、Ec）及介电响应的关系。
• 识别出能最大化介电常数和铁电特性的最优相组成比例。

提出的方法

• 采用原子层沉积（ALD）技术，通过控制臭氧剂量和退火条件，生长Hf0.5Zr0.5O2薄膜。
• 利用X射线衍射或类似技术进行结构相分析，测定t相与o相的比例（f_{t/o}）。
• 通过测量极化-电场（P-E）滞后回线，评估铁电性能，如剩余极化（Pr）和矫顽场（Ec）。
• 通过电容-电压（C-V）测量或阻抗谱法提取介电常数。
• 通过调节ALD工艺参数系统性地改变相组成，以探测MPB区域。
• 利用相场建模预测结果指导实验设计，以逼近预期的MPB组成。

实验结果

研究问题

• RQ1 Hf0.5Zr0.5O2体系是否如相场建模所预测的那样表现出准同晶相界（MPB）？
• RQ2 t相与o相的比例（f_{t/o}）如何影响Hf0.5Zr0.5O2薄膜的铁电性能（Pr与Ec）？
• RQ3 在Hf0.5Zr0.5O2薄膜的MPB附近，相组成与介电常数之间存在何种关系？
• RQ4 通过调节f_{t/o}比例，能否在Hf0.5Zr0.5O2薄膜中实现约55的高介电常数？
• RQ5 是否存在一个最优的f_{t/o}比例，可同时最大化铁电性能与介电响应？

主要发现

• t相分数最低的样品（f_{t/o} ~ 0.04）表现出最高的剩余极化（Pr）和矫顽场（Ec），表明其铁电性能最优。
• 该样品的介电常数最低，归因于铁电性o相的主导形成。
• f_{t/o}最高的样品（~0.41）展现出最强的介电响应，介电常数达到约55。
• 观察到f_{t/o}比例与介电常数之间存在直接关联，支持了Hf0.5Zr0.5O2薄膜中存在MPB区域的结论。
• 结果证实，通过ALD工艺参数调节t相与o相的比例，可实现对铁电性能与介电性能的协同调控。
• 本研究通过实验验证了相场建模对Hf0.5Zr0.5O2中存在MPB的预测，实验证明在相界附近介电响应显著增强。