We report on the ferroelectric properties of single-phase wurtzite ScGaN grown on GaN by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Distinct ferroelectric switching behavior was confirmed by detailed electrical characterization. Coercive fields in the range of 2.0–3.0 MV/cm and large, retainable remnant polarization in the range of 60–120 μC/cm2 are unambiguously demonstrated for ScGaN epilayers with Sc contents of 0.31–0.41. Taking advantage of the widely tunable energy bandgap of III-nitride semiconductors, the demonstration of ferroelectricity in ScGaN, together with the recently reported ferroelectric ScAlN, will enable a broad range of emerging applications with combined functionality in ferroelectric, electronic, optoelectronic, photovoltaic, and/or photonic devices and systems.
References
1.
B.
Gil
, III-Nitride Semiconductors and Their Modern Devices
(OUP
Oxford
, 2013
).2.
S.
Zhao
, H. P.
Nguyen
, M. G.
Kibria
, and Z.
Mi
, Prog. Quantum Electron.
44
, 14
(2015
).3.
T. J.
Flack
, B. N.
Pushpakaran
, and S. B.
Bayne
, J. Electron. Mater
45
(6
), 2673
(2016
).4.
M. G.
Kibria
, F. A.
Chowdhury
, S.
Zhao
, B.
AlOtaibi
, M. L.
Trudeau
, H.
Guo
, and Z.
Mi
, Nat. Commun.
6
(1
), 6797
(2015
).5.
J. J.
Wierer
, A.
David
, and M. M.
Megens
, Nat. Photonics
3
(3
), 163
(2009
).6.
H.
Morkoç
, Handbook of Nitride Semiconductors and Devices, Materials Properties, Physics and Growth
(John Wiley & Sons
, 2009
).7.
P.
Wang
, Y.
Yuan
, C.
Zhao
, X.
Wang
, X.
Zheng
, X.
Rong
, T.
Wang
, B.
Sheng
, Q.
Wang
, Y.
Zhang
, L.
Bian
, X.
Yang
, F.
Xu
, Z.
Qin
, X.
Li
, X.
Zhang
, and B.
Shen
, Nano Lett.
16
(2
), 1328
(2016
).8.
D.
Wang
, J.
Su
, Z.
Chen
, T.
Wang
, L.
Yang
, B.
Sheng
, S.
Lin
, X.
Rong
, P.
Wang
, X.
Shi
, W.
Tan
, J.
Zhang
, W.
Ge
, B.
Shen
, Y.
Liu
, and X.
Wang
, Adv. Electron. Mater.
5
(2
), 1800651
(2019
).9.
D.
Jena
, R.
Page
, J.
Casamento
, P.
Dang
, J.
Singhal
, Z.
Zhang
, J.
Wright
, G.
Khalsa
, Y.
Cho
, and H. G.
Xing
, Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
58
(SC
), SC0801
(2019
).10.
M.
Akiyama
, T.
Kamohara
, K.
Kano
, A.
Teshigahara
, Y.
Takeuchi
, and N.
Kawahara
, Adv. Mater.
21
(5
), 593
(2009
).11.
S. Y.
Zhang
, D.
Holec
, W. Y.
Fu
, C. J.
Humphreys
, and M. A.
Moram
, J. Appl. Phys.
114
(13
), 243516
(2013
).12.
S.
Fichtner
, N.
Wolff
, F.
Lofink
, L.
Kienle
, and B.
Wagner
, J. Appl. Phys.
125
(11
), 114103
(2019
).13.
D. X.
Wang
, J.
Zheng
, P.
Musavigharavi
, W. L.
Zhu
, A. C.
Foucher
, S. E.
Trolier-McKinstry
, E. A.
Stach
, and R. H.
Olsson
, IEEE Electron Device Lett.
41
(12
), 1774
(2020
).14.
S.
Yasuoka
, T.
Shimizu
, A.
Tateyama
, M.
Uehara
, H.
Yamada
, M.
Akiyama
, Y.
Hiranaga
, Y.
Cho
, and H.
Funakubo
, J. Appl. Phys.
128
(11
), 114103
(2020
).15.
D.
Drury
, K.
Yazawa
, A.
Mis
, K.
Talley
, A.
Zakutayev
, and G. L.
Brennecka
, Phys. Status Solidi RRL
15
, 2100043
(2021
).16.
T.
Mikolajick
, S.
Slesazeck
, H.
Mulaosmanovic
, M. H.
Park
, S.
Fichtner
, P. D.
Lomenzo
, M.
Hoffmann
, and U.
Schroeder
, J. Appl. Phys.
129
(10
), 100901
(2021
).17.
S.
Rassay
, F.
Hakim
, C.
Li
, C.
Forgey
, N.
Choudhary
, and R.
Tabrizian
, Phys. Status Solidi RRL
15
(5
), 2100087
(2021
).18.
S.-L.
Tsai
, T.
Hoshii
, H.
Wakabayashi
, K.
Tsutsui
, T.-K.
Chung
, E. Y.
Chang
, and K.
Kakushima
, Appl. Phys. Lett.
118
(8
), 082902
(2021
).19.
N.
Wolff
, S.
Fichtner
, B.
Haas
, M. R.
Islam
, F.
Niekiel
, M.
Kessel
, O.
Ambacher
, C.
Koch
, B.
Wagner
, F.
Lofink
, and L.
Kienle
, J. Appl. Phys.
129
(3
), 034103
(2021
).20.
P.
Wang
, D.
Wang
, N. M.
Vu
, T.
Chiang
, J. T.
Heron
, and Z.
Mi
, Appl. Phys. Lett.
118
(22
), 223504
(2021
).21.
P.
Wang
, D.
Wang
, B.
Wang
, S.
Mohanty
, S.
Diez
, Y.
Wu
, Y.
Sun
, E.
Ahmadi
, and Z.
Mi
, Appl. Phys. Lett.
119
, 082101
(2021
).22.
F.
Tasnadi
, B.
Alling
, C.
Hoglund
, G.
Wingqvist
, J.
Birch
, L.
Hultman
, and I. A.
Abrikosov
, Phys Rev Lett
104
(13
), 137601
(2010
).23.
A. A. M.
Noor
, Z. O.
O
, and M.
Nolan
, ACS Appl. Mater. Interfaces
11
(22
), 20482
(2019
).24.
J.
Íñiguez
, P.
Zubko
, I.
Luk'yanchuk
, and A.
Cano
, Nat. Rev. Mater.
4
(4
), 243
(2019
).25.
S. L.
Tsai
, T.
Hoshii
, H.
Wakabayashi
, K.
Tsutsui
, T. K.
Chung
, E. Y.
Chang
, and K.
Kakushima
, Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
60
, SBBA05
(2021
).26.
D.
Wang
, P.
Musavigharavi
, J.
Zheng
, G.
Esteves
, X.
Liu
, M. M. A.
Fiagbenu
, E. A.
Stach
, D.
Jariwala
, and R. H.
Olsson
, Phys. Status Solidi RRL
15
(5
), 2000575
(2021
).27.
P.
Wang
, D. A.
Laleyan
, A.
Pandey
, Y.
Sun
, and Z.
Mi
, Appl. Phys. Lett.
116
(15
), 152102
(2020
).28.
P.
Wang
, B.
Wang
, D. A.
Laleyan
, A.
Pandey
, Y.
Wu
, Y.
Sun
, X.
Liu
, Z.
Deng
, E.
Kioupakis
, and Z.
Mi
, Appl. Phys. Lett.
118
(3
), 032102
(2021
).29.
X.
Liu
, D.
Wang
, K. H.
Kim
, K.
Katti
, J.
Zheng
, P.
Musavigharavi
, J.
Miao
, E. A.
Stach
, R. H.
Olsson
III, and D.
Jariwala
, Nano Lett.
21
(9
), 3753–3761
(2021
).30.
X.
Liu
, J.
Zheng
, D.
Wang
, P.
Musavigharavi
, E. A.
Stach
, R.
Olsson
, and D.
Jariwala
, Appl. Phys. Lett.
118
(20
), 202901
(2021
).31.
J.
Wang
, Y.
Zheng
, and A.
Ansari
, Phys. Status Solidi RRL
15
(5
), 2100034
(2021
).32.
M.
Uehara
, T.
Mizuno
, Y.
Aida
, H.
Yamada
, K.
Umeda
, and M.
Akiyama
, Appl. Phys. Lett.
114
(1
), 012902
(2019
).33.
H. C. L.
Tsui
, L. E.
Goff
, N. P.
Barradas
, E.
Alves
, S.
Pereira
, R. G.
Palgrave
, R. J.
Davies
, H. E.
Beere
, I.
Farrer
, D. A.
Ritchie
, and M. A.
Moram
, Semicond. Sci. Technol.
31
(6
), 064002
(2016
).34.
C.
Constantin
, H.
Al-Brithen
, M. B.
Haider
, D.
Ingram
, and A. R.
Smith
, Phys. Rev. B
70
(19
), 193309
(2004
).35.
M.
Moram
, Y.
Zhang
, T.
Joyce
, D.
Holec
, P.
Chalker
, P. H.
Mayrhofer
, M.
Kappers
, and C.
Humphreys
, J. Appl. Phys.
106
(11
), 113533
(2009
).36.
C.
Constantin
, M. B.
Haider
, D.
Ingram
, A. R.
Smith
, N.
Sandler
, K.
Sun
, and P.
Ordejón
, J. Appl. Phys.
98
(12
), 123501
(2005
).37.
J.
Casamento
, H. G.
Xing
, and D.
Jena
, Phys. Status Solid B
257
(4
), 1900612
(2020
).38.
S.
Knoll
, S.
Rhode
, S.
Zhang
, T.
Joyce
, and M.
Moram
, Appl. Phys. Lett.
104
(10
), 101906
(2014
).39.
H.
Tsui
, L.
Goff
, N.
Barradas
, E.
Alves
, S.
Pereira
, H.
Beere
, I.
Farrer
, C.
Nicoll
, D.
Ritchie
, and M.
Moram
, Phys. Status Solidi A
212
(12
), 2837
(2015
).40.
H. C. L.
Tsui
, L. E.
Goff
, S. K.
Rhode
, S.
Pereira
, H. E.
Beere
, I.
Farrer
, C. A.
Nicoll
, D. A.
Ritchie
, and M. A.
Moram
, Appl. Phys. Lett.
106
(13
), 132103
(2015
).41.
M. T.
Hardy
, E. N.
Jin
, N.
Nepal
, D. S.
Katzer
, B. P.
Downey
, V. J.
Gokhale
, D. F.
Storm
, and D. J.
Meyer
, Appl. Phys. Express
13
(6
), 065509
(2020
).42.
R.
Meyer
, R.
Waser
, K.
Prume
, T.
Schmitz
, and S.
Tiedke
, Appl. Phys. Lett.
86
(14
), 142907
(2005
).43.
J. F.
Scott
, Integr. Ferroelectr.
12
(2–4
), 71
(1996
).44.
S. M.
Yang
, J. Y.
Jo
, T. H.
Kim
, J. G.
Yoon
, T. K.
Song
, H. N.
Lee
, Z.
Marton
, S.
Park
, Y.
Jo
, and T. W.
Noh
, Phys. Rev. B
82
(17
), 174125
(2010
).45.
W.
Zhang
, Y.
Zhang
, W.
Mao
, X.
Ma
, J.
Zhang
, and Y.
Hao
, IEEE Electron Device Lett.
34
(1
), 45
(2013
).46.
C. E.
Dreyer
, A.
Janotti
, C. G.
Van de Walle
, and D.
Vanderbilt
, Phys. Rev. X
6
(2
), 021038
(2016
).© 2021 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2021
Author(s)
You do not currently have access to this content.