Les matériaux ferroélectriques ont des applications dans les dispositifs électroniques de nouvelle génération, des modulateurs optoélectroniques et de la mémoire vive aux transducteurs piézoélectriques et aux jonctions tunnel. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Institut de technologie de Tokyo rapportent des informations sur les propriétés des films minces épitaxiés à base d'oxyde d'hafnium (à base de HfO2), confirmant une phase ferroélectrique stable jusqu'à 450 °C. Comme ils le soulignent, "Cette température est suffisamment élevée pour que les matériaux ferroélectriques à base de HfO2 soient utilisés dans un fonctionnement et un traitement stables du dispositif, car cette température est comparable à celle d'autres matériaux ferroélectriques conventionnels."

Les rapports de propriétés ferroélectriques dans des films minces d'oxyde d'hafnium substitué - où certains ions ont été remplacés par d'autres métaux - ont suscité un intérêt particulier car ces films sont déjà utilisés en électronique et sont compatibles avec les techniques de fabrication du silicium qui dominent l'industrie. Cependant, les tentatives d'étudier en détail la structure cristalline des films minces à base de HfO2 pour comprendre ces propriétés ferroélectriques ont rencontré des défis en raison de l'orientation aléatoire des films polycristallins.

Afin d'obtenir des films minces avec une orientation cristalline bien définie, Takao Shimizu, Hiroshi Funakubo et ses collègues de l'Institut de technologie de Tokyo se sont tournés vers une approche de croissance qui n'avait pas encore été essayée avec des matériaux à base de HfO2 :la croissance épitaxiale de film. Ils ont ensuite utilisé une gamme de techniques de caractérisation ― y compris l'analyse par diffraction des rayons X et la cartographie spatiale réciproque à grande échelle ― pour identifier les changements dans la structure cristalline à mesure que la teneur en yttrium augmentait. Ils ont trouvé un changement d'une phase de faible à une haute symétrie via une phase orthorhombique intermédiaire avec une augmentation de l'yttrium à partir de -15 % d'oxyde d'yttrium substitué.

D'autres études ont confirmé que cette phase orthorhombique est ferroélectrique et stable pour des températures allant jusqu'à 450 °C. Ils concluent, "Les présents résultats aident à clarifier la nature de la ferroélectricité dans les matériaux ferroélectriques à base de HfO2 ainsi que son application potentielle dans divers dispositifs."

Fond

Films minces d'oxyde d'hafnium

La constante diélectrique (high élevé) du HfO2 a déjà suscité un intérêt pour une utilisation dans des composants électroniques tels que les condensateurs de mémoire vive dynamique (DRAM) et est déjà utilisée pour les portes à κ élevé dans les dispositifs. De ce fait, sa compatibilité avec le traitement CMOS qui domine la fabrication électronique actuelle est déjà connue.

Des propriétés ferroélectriques ont été rapportées dans des films minces de HfO2 avec des ions hafnium substitués par différents types d'ions dont l'yttrium, aluminium et lanthane, ainsi que le silicium et le zirconium. Les chercheurs ont étudié des films de HfO2 substitués par l'oxyde d'yttrium YO1.5 car des propriétés ferroélectriques ont déjà été rapportées dans des films de ce matériau.

Croissance épitaxiale

Une orientation cristalline bien définie par rapport au substrat peut être obtenue dans des films épitaxiés, mais le processus nécessite généralement des températures élevées. En raison de la tendance à se décomposer en phases non ferroélectriques, le HfO2 est généralement préparé par cristallisation de films amorphes. Les chercheurs ont utilisé un dépôt laser pulsé pour préparer des films à base de HfO2 à croissance épitaxiale sans détruire la phase ferroélectrique. Les films ont été développés sur de la zircone stabilisée à l'yttria et avaient une épaisseur d'environ 20 nm.

Phases cristallines et caractérisation

HfO2 existe dans une phase monoclinique stable à faible symétrie, où la structure ressemble à un prisme rectangulaire avec une base de parallélogramme. Cette structure se transforme en une phase structurée cubique ou tétragonale à haute symétrie par une phase orthorhombique métastable.

Monoclinique, les structures cristallines cubiques et tétragonales ont un galop d'inversion, ce qui exclut les propriétés ferroélectriques. Les chercheurs se sont donc concentrés sur l'orthorhombique. La coexistence de plusieurs phases dans HfO2 complique encore les études de structure cristalline, ce qui rend encore plus souhaitable l'obtention de films avec des orientations cristallines bien définies. Avant les travaux actuels, il n'était pas encore clair si la croissance épitaxiale de films à base de HfO2 était possible.

Des travaux antérieurs avaient utilisé la microscopie électronique à transmission et la diffraction électronique à faisceau convergent simultanée pour confirmer l'existence de la phase orthorhombique, mais une analyse plus détaillée de la structure cristalline s'est avérée difficile en raison de l'orientation polycristalline aléatoire.

Avec les films minces épitaxiés, les chercheurs ont pu utiliser l'analyse de diffraction des rayons X et des mesures de cartographie spatiale réciproque sur de vastes zones pour identifier la phase orthorhombique. Ils ont ensuite utilisé une microscopie électronique à transmission annulaire à champ clair et à champ sombre annulaire à angle élevé avec correction des aberrations pour confirmer que la phase orthorhombique était ferroélectrique.