Enhanced ferroelectricity in ultrathin films grown directly on silicon

材料科学 铁电性 原子层沉积 钙钛矿(结构) 极化(电化学) 纳米技术 纳米 薄膜 光电子学 结晶学 化学 复合材料 电介质 物理化学
作者
Suraj Cheema,Daewoong Kwon,Nirmaan Shanker,Roberto dos Reis,Shang-Lin Hsu,Jun Xiao,Haigang Zhang,Ryan Wagner,Adhiraj Datar,Margaret R. McCarter,Claudy Serrao,Ajay K. Yadav,Golnaz Karbasian,Cheng‐Hsiang Hsu,Ava J. Tan,Li‐Chen Wang,Vishal Thakare,Xiang Zhang,Apurva Mehta,Evguenia Karapetrova
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:580 (7804): 478-482 被引量:871
标识
DOI:10.1038/s41586-020-2208-x
摘要

Ultrathin ferroelectric materials could potentially enable low-power logic and nonvolatile memories1,2. As ferroelectric materials are made thinner, however, the ferroelectricity is usually suppressed. Size effects in ferroelectrics have been thoroughly investigated in perovskite oxides—the archetypal ferroelectric system3. Perovskites, however, have so far proved unsuitable for thickness scaling and integration with modern semiconductor processes4. Here we report ferroelectricity in ultrathin doped hafnium oxide (HfO2), a fluorite-structure oxide grown by atomic layer deposition on silicon. We demonstrate the persistence of inversion symmetry breaking and spontaneous, switchable polarization down to a thickness of one nanometre. Our results indicate not only the absence of a ferroelectric critical thickness but also enhanced polar distortions as film thickness is reduced, unlike in perovskite ferroelectrics. This approach to enhancing ferroelectricity in ultrathin layers could provide a route towards polarization-driven memories and ferroelectric-based advanced transistors. This work shifts the search for the fundamental limits of ferroelectricity to simpler transition-metal oxide systems—that is, from perovskite-derived complex oxides to fluorite-structure binary oxides—in which ‘reverse’ size effects counterintuitively stabilize polar symmetry in the ultrathin regime. Enhanced switchable ferroelectric polarization is achieved in doped hafnium oxide films grown directly onto silicon using low-temperature atomic layer deposition, even at thicknesses of just one nanometre.
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