In-depth Understanding of Polarization Switching Kinetics in Polycrystalline $\mathbf{Hf}_{0.5} \mathbf{Zr}_{0.5} \mathbf{O}_{2}$ Ferroelectric Thin Film: A Transition From NLS to KAI

铁电性 极化(电化学) 动力学 物理 材料科学 化学 光电子学 物理化学 量子力学 电介质
作者
Wei Wei,Weiqiang Zhang,Lu Tai,Guoqing Zhao,Pengpeng Sang,Qianwen Wang,Fei Chen,Mingfeng Tang,Yang Feng,Xuepeng Zhan,Qing Luo,Yuan Li,Jiezhi Chen
标识
DOI:10.1109/iedm19574.2021.9720664
摘要

To achieve deep insights into the polarization switching kinetics in ferroelectric $\text{Hf}0.5\text{Zr}0.5\mathrm{O}_{2}$ (HZO), the intrinsic switching characteristics are measured accurately by using a novel pulse sequence to eliminate the charge trapping, polarization unsaturation and imprint effects. By NLS fittings, the average switching time and the concentration of pinning sites are extracted, with main focus on their dependences on the external electric field, the electrode size $l$ and the temperature $T$ . Although the average switching time shows weak dependence on $T,$ , it decreases sharply with $l$ scaling and sub-ns switching behavior is predicted at $l\leq 3.89\mu \mathrm{m}$ . More importantly, our observations intensely imply that a transition happens from NLS to KAI model when $T$ is below 161K or $l$ is approaching the grain size (10~30nm). This surprised but reasonable transition indicates that, as scaling the ferroelectric memory size or for operations under cryogenic temperatures, HZO ferroelectrics can switch much faster and more uniform.

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