Ferro-elektrische materialen hebben toepassingen in elektronische apparaten van de volgende generatie, van opto-elektronische modulatoren en willekeurig toegankelijk geheugen tot piëzo-elektrische transducers en tunnelovergangen. Nu rapporteren onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology inzichten in de eigenschappen van epitaxiale op hafniumoxide gebaseerde (HfO2-gebaseerde) dunne films, bevestigt een stabiele ferro-elektrische fase tot 450 °C. Zoals ze aangeven, "Deze temperatuur is voldoende hoog om op HfO2 gebaseerde ferro-elektrische materialen te gebruiken in een stabiele werking en verwerking van het apparaat, aangezien deze temperatuur vergelijkbaar is met die van andere conventionele ferro-elektrische materialen."

Rapporten over ferro-elektrische eigenschappen in dunne films van gesubstitueerd hafniumoxide - waarbij sommige ionen werden vervangen door andere metalen - hebben bijzondere belangstelling gewekt omdat deze films al worden gebruikt in de elektronica en compatibel zijn met de siliciumfabricagetechnieken die de industrie domineren. Pogingen om de kristalstructuur van op HfO2 gebaseerde dunne films in detail te bestuderen om deze ferro-elektrische eigenschappen te begrijpen, stuitten echter op uitdagingen vanwege de willekeurige oriëntatie van de polykristallijne films.

Om dunne films met een goed gedefinieerde kristaloriëntatie te verkrijgen, Takao Shimizu, Hiroshi Funakubo en collega's van het Tokyo Institute of Technology kozen voor een groeibenadering die nog niet eerder was uitgeprobeerd met op HfO2 gebaseerde materialen - epitaxiale filmgroei. Vervolgens gebruikten ze een reeks karakteriseringstechnieken - waaronder röntgendiffractie-analyse en weidse ruimtelijke mapping - om veranderingen in de kristalstructuur te identificeren naarmate het yttriumgehalte toenam. Ze vonden een verandering van een lage naar een hoge symmetriefase via een orthorhombische tussentijdse fase met toenemend yttrium van -15% gesubstitueerd yttriumoxide.

Verdere studies bevestigden dat deze orthorhombische fase ferro-elektrisch is en stabiel voor temperaturen tot 450 °C. Ze concluderen, "De huidige resultaten helpen de aard van ferro-elektriciteit in op HfO2 gebaseerde ferro-elektrische materialen te verduidelijken en ook de mogelijke toepassing ervan in verschillende apparaten."

Achtergrond

Hafniumoxide dunne films

De diëlektrische constante (hoge κ) van HfO2 heeft eerder belangstelling gewekt voor gebruik in elektronische componenten zoals dynamische willekeurig toegankelijke geheugen (DRAM) condensatoren en wordt al gebruikt voor hoge-κ poorten in apparaten. Als gevolg hiervan is de compatibiliteit ervan met de CMOS-verwerking die de huidige elektronicafabricage domineert, al bekend.

Ferro-elektrische eigenschappen zijn gerapporteerd in dunne HfO2-films met enkele hafniumionen die zijn vervangen door verschillende soorten ionen, waaronder yttrium, aluminium en lanthaan, evenals silicium en zirkonium. De onderzoekers bestudeerden HfO2-films gesubstitueerd met het yttriumoxide YO1.5, aangezien ferro-elektrische eigenschappen al zijn gerapporteerd in films van dit materiaal.

epitaxiale groei

Goed gedefinieerde kristaloriëntatie met betrekking tot het substraat kan worden verkregen in epitaxiaal gegroeide films, maar het proces vereist gewoonlijk hoge temperaturen. Vanwege de neiging om te ontleden in niet-ferro-elektrische fasen, wordt HfO2 gewoonlijk bereid door kristallisatie van amorfe films. De onderzoekers gebruikten gepulste laserdepositie om epitaxiaal gegroeide HfO2-gebaseerde films te maken zonder de ferro-elektrische fase te vernietigen. De films werden gekweekt op met yttriumoxide gestabiliseerd zirkoniumoxide en waren ongeveer 20 nm dik.

Kristalfasen en karakterisering

HfO2 bestaat in een stabiele laagsymmetrische monokliene fase, waarbij de structuur lijkt op een rechthoekig prisma met een parallellogrambasis. Deze structuur verandert in een kubische of tetragonale gestructureerde fase met hoge symmetrie via een metastabiele orthorhombische fase.

Monoklinisch, kubische en tetragonale kristallijne structuren hebben inversiegalop, wat ferro-elektrische eigenschappen uitsluit. Daarom richtten de onderzoekers zich op de orthorhombische. Het naast elkaar bestaan ​​van verschillende fasen in HfO2 bemoeilijkt verder onderzoek naar kristalstructuur, waardoor het nog wenselijker is om films te verkrijgen met goed gedefinieerde kristaloriëntaties. Voorafgaand aan het huidige werk was het nog onduidelijk of epitaxiale groei van op HfO2 gebaseerde films mogelijk was.

Eerder werk had transmissie-elektronenmicroscopie en gelijktijdige convergente bundelelektronendiffractie gebruikt om het bestaan ​​​​van de orthorhombische fase te bevestigen, maar meer gedetailleerde analyse van de kristallijne structuur bleek moeilijk vanwege de willekeurige polykristallijne oriëntatie.

Met de epitaxiaal gegroeide dunne films waren de onderzoekers in staat om röntgendiffractie-analyse en wide-area reciproke ruimtekarteringsmetingen te gebruiken om de orthorhombische fase te identificeren. Vervolgens gebruikten ze aberratie-gecorrigeerde ringvormige helderveld en hoge hoek ringvormige donkerveld scanning transmissie-elektronenmicroscopie om te bevestigen dat de orthorhombische fase ferro-elektrisch was.