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Vanadium-Doped Hafnium Oxide: A High-Endurance Ferroelectric Thin Film with Demonstrated Negative Capacitance

材料科学 兴奋剂 氧化钒 电容 铁电性 负阻抗变换器 薄膜 氧化物 光电子学 纳米技术 化学 冶金 电气工程 电极 电介质 物理化学 电压 电压源 工程类
作者
Ehsan Ansari,Niccolò Martinolli,E. Hartmann,Anna Varini,Igor Stolichnov,Adrian Ionescu
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.4c05671
摘要

This study proposes and validates a novel CMOS-compatible ferroelectric thin-film insulator made of vanadium-doped hafnium oxide (V:HfO2) by using an optimized atomic layer deposition (ALD) process. Comparative electrical performance analysis of metal–ferroelectric–metal capacitors with varying V-doping concentrations, along with advanced material characterizations, confirmed the ferroelectric behavior and reliability of V:HfO2. With remnant polarization (Pr) values up to 20 μC/cm2, a coercive field (Ec) of 1.5 MV/cm, excellent endurance (>1011 cycles without failure, extrapolated to 1012 cycles), projected 10-year nonvolatile retention (>100 days measured), and large grain sizes of ∼180 nm, V:HfO2 emerges as a promising robust candidate for nonvolatile memory and neuromorphic applications. Importantly, negative capacitance (NC) effects were observed and analyzed in V:HfO2 through pulsed measurements, demonstrating its potential for NC applications. Finally, this novel ferroelectric shows potential as a gating insulator for future 3-terminal vanadium dioxide Mott-insulator devices and sensors, achieved through an all-ALD process.

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