Ultra-thin Hf0.5Zr0.5O2 thin-film-based ferroelectric tunnel junction via stress induced crystallization

材料科学 铁电性 薄膜 热膨胀 正交晶系 残余应力 光电子学 电极 电介质 复合材料 衍射 光学 纳米技术 物理 物理化学 化学
作者
Sanghun Jeon,Junghyeon Hwang,Yongsun Lee,Minki Kim,Sanghun Jeon
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:117 (24) 被引量:98
标识
DOI:10.1063/5.0029516
摘要

We report on 4.5-nm-thick Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) thin-film-based ferroelectric tunnel junctions (FTJs) with a tungsten (W) bottom electrode. The HZO on the W electrode exhibits stable ferroelectricity with a remanent polarization of 14 μC/cm2, an enhanced tunneling electroresistance of 16, and excellent synaptic properties. We found that a large tensile stress was induced on a HZO thin film, owing to a low thermal expansion coefficient of the W bottom electrode. The low thermal expansion coefficient results in the effective formation of an orthorhombic phase, even in an ultra-thin HZO film. This was verified by a comparative study of the electrical characteristics, grazing-angle incidence x-ray diffraction, and residual stress measurement of the HZO film on various bottom electrodes with different thermal expansion coefficients. In addition, this study demonstrates the suitable functions of the FTJ for electronic synapses, such as analog-like resistance transition under various pulse schemes. The fabricated stress-engineered FTJ exhibits an appropriate conductance ratio, linearly modulated long-term potentiation and depression characteristics, and excellent reliability. These characteristics render FTJs ideal electronic devices for neuromorphic computing systems.
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