Physical Mechanisms Behind the Annealing Temperature Effect on Ferroelectric Phase in HfAlO FTJs by First-Principles Calculations

铁电性 退火(玻璃) 结晶度 材料科学 兴奋剂 凝聚态物理 表面粗糙度 光电子学 纳米技术 电子工程 复合材料 电介质 工程类 物理
作者
Zhenhai Li,Jialin Meng,Yongkai Liu,Jiajie Yu,Tianyu Wang,Kangli Xu,Hao Zhu,Qingqing Sun,David Wei Zhang,Lin Chen
出处
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:70 (10): 5107-5112
标识
DOI:10.1109/ted.2023.3306730
摘要

To meet the needs of high speed and low power in the field of integrated circuits, hafnium-based ferroelectric tunnel junctions (FTJs) have been developed by doping different elements. In this study, we investigated the influence of annealing temperature on the ferroelectric properties of an Al-doped HfO2 device (HfAlO) using first-principle calculations and experimentally confirmed the simulation results. At annealing temperature >500 °C, TEM images showed that the HfAlO thin films had good crystallinity. At a critical annealing temperature of 600 °C, atomic force microscopy (AFM) images showed that the roughness reached a saturated state, which degraded HfAlO ferroelectricity. First-principle analyses verified that the orthogonal phase proportion in the film was the highest ( $\sim $ 30%) at 500 °C–550 °C due to decreased average bulk energy. The study paves way for HfAlO FTJs development for the next-generation in- memory computing applications.
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