Undoped HfO2在Si基底上可实现ferroelectric性：直至单层膜
材料科学
2025-01-23 v1 其他凝聚态物理
摘要
铈氧化物（HfO2），尤其在低二维尺度下，因其与当前半导体技术的兼容性，显示出在超高密度器件（如低功耗逻辑器件和非易失性存储器件）中具有广泛的应用前景[1-5]。然而，在实现极限尺度下的铈氧化物ferroelectric性（FE）仍具有挑战性，特别是对于未掺杂的HfO2而言，由于非中心对称的FE相（即空间群：Pca21的O-III相）是亚稳态，且FE在薄膜厚度减小时倾向于出现去极化[6]。迄今为止，这一相通常通过掺杂其他元素[7-9]来稳定，但最低膜厚仍受限于约1 nm（约2单元层）才能维持FE[8]。薄且未掺杂的薄膜有利于进一步缩小器件尺寸并避免沉积过程中的污染，但在Si基底上制造仍具有挑战性。本文报道了在原子层沉积（ALD）和真空后热处理后，directly生长于Si基底上的未掺杂HfO2薄膜中观察到的稳健的FE现象。所制备的铈氧化物O-III相含约4.48 at%氧空位，稳健地维持即使单层相（空间群：P21/c）共存。自发极化和可切换极化 remarkably稳定，即使在0.5 nm（单单元层）厚度下仍然存续。我们的结果表明，稳健的FE O-III相可在厚度降至单单元层的薄膜上实现于Si基底上，为在厚度极限条件下制造这一重要材料提供了实际途径。
引用
@article{arxiv.2501.12616,
title = {Ferroelectricity in undoped HfO2 down to one-unit-cell on Si substrate},
author = {Tiantian Wang and He Zhang and Yongjie Xie and Subi Du and Da Sheng and Zhaolong Liu and Sheng Wang and Hui Li and Qinghua Zhang and Kai Wang and Bing Xu and Xianggang Qiu and Yang Xu and Lin Gu and Xiaolong Chen},
journal= {arXiv preprint arXiv:2501.12616},
year = {2025}
}