Domain Switching Characteristics in Ga-Doped HfO2 Ferroelectric Thin Films with Low Coercive Field

铁电性 成核 材料科学 矫顽力 兴奋剂 掺杂剂 电介质 薄膜 电场 凝聚态物理 光电子学 纳米技术 化学 物理 有机化学 量子力学 冶金
作者
Yukui Zhang,Teng Huang,Xiaoxi Li,Xiaona Zhu,David Wei Zhang,Hong‐Liang Lu
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:24 (22): 6585-6591
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.4c00263
摘要

The gallium-doped hafnium oxide (Ga-HfO2) films with different Ga doping concentrations were prepared by adjusting the HfO2/Ga2O3 atomic layer deposition cycle ratio for high-speed and low-voltage operation in HfO2-based ferroelectric memory. The Ga-HfO2 ferroelectric films reveal a finely modulated coercive field (Ec) from 1.1 (HfO2/Ga2O3 = 32:1) to an exceptionally low 0.6 MV/cm (HfO2/Ga2O3 = 11:1). This modulation arises from the competition between domain nucleation and propagation speed during polarization switching, influenced by the intrinsic domain density and phase dispersion in the film with specific Ga doping concentrations. Higher Ec samples exhibit a nucleation-dominant switching mechanism, while lower Ec samples undergo a transition from a nucleation-dominant to a propagation-dominant reversal mechanism as the electric field increases. This work introduces Ga as a viable dopant for low Ec and offers insights into material design strategies for HfO2-based ferroelectric memory applications.
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