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物理学 > 应用物理

arXiv:2501.02101 (physics)
[提交于 2025年1月3日 ]

标题: 通过高功率脉冲磁控溅射技术制备的具有增强极化和低漏电的铁电AlScN薄膜

标题: Ferroelectric AlScN thin films with enhanced polarization and low leakage enabled by high-power impulse magnetron sputtering

Authors:Federica Messi (1), Jyotish Patidar (1), Nathan Rodkey (1), Christoph W. Dräyer (2), Morgan Trassin (2), Sebastian Siol (1) ((1) Laboratory for Surface Science and Coating Technologies, Empa - Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Switzerland (2) Department of Materials, ETH Zürich, Switzerland)
摘要: 高效数据处理的需求促使计算架构向内存内计算转变。铁电材料,特别是AlScN,在下一代存储设备中显示出巨大潜力。然而,由于高矫顽场、漏电流和稳定性有限等挑战,其广泛应用受到限制。我们的工作介绍了一种使用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)合成铁电AlScN薄膜的新方法。通过组合研究,我们探讨了钪含量和基板偏压对使用金属离子同步(MIS)HiPIMS沉积的AlScN薄膜铁电性能的影响。利用HiPIMS的高电离率和优化的时间基板偏压电位,我们在低温下增强了原子的迁移率。我们的薄膜在低至250{\deg }C的温度下表现出高度的织构和结晶度以及低粗糙度。最重要的是,这些薄膜的矫顽场与最先进的值(5 MV/cm)相当,剩余极化显著增强(158-172.0 {\mu }C/cm2)。值得注意的是,剩余极化在不同钪浓度下保持稳定。我们进一步评估了循环稳定性和漏电流,以评估其在存储应用中的适用性。本研究展示了HiPIMS作为一种可扩展且与CMOS兼容的技术,用于合成高质量的铁电AlScN薄膜,为它们在非易失性存储应用中的应用铺平了道路。
摘要: The demand for efficient data processing motivates a shift toward in-memory computing architectures. Ferroelectric materials, particularly AlScN, show great promise for next-generation memory devices. However, their widespread application is limited due challenges such as high coercive fields, leakage currents and limited stability. Our work introduces a novel synthesis approach for ferroelectric AlScN thin films using high-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS). Through a combinatorial study, we investigate the effect of scandium content and substrate bias on the ferroelectric properties of AlScN films deposited using metal-ion synchronized (MIS) HiPIMS. Leveraging the high ionization rates of HiPIMS and optimally timed substrate bias potentials, we enhance the adatom mobility at low temperatures. Our films exhibit a high degree of texture and crystallinity as well as low roughness at temperatures as low as 250{\deg}C. Most importantly, the films exhibit coercive fields comparable to state-of-the-art values (5 MV/cm) with significantly enhanced remanent polarization (158-172.0 {\mu}C/cm2). Notably, the remanent polarization remains stable across varying scandium concentrations. We further evaluate cycling stability and leakage current to assess suitability for memory applications. This study demonstrates HiPIMS as a scalable and CMOS compatible technique for synthesizing high-quality ferroelectric AlScN films, paving the way for their application in non-volatile memory applications.
主题: 应用物理 (physics.app-ph) ; 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci)
引用方式: arXiv:2501.02101 [physics.app-ph]
  (或者 arXiv:2501.02101v1 [physics.app-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.02101
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Sebastian Siol [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 1 月 3 日 21:02:43 UTC (2,073 KB)
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