We report on the thickness scaling behavior of ferroelectric Sc0.3Al0.7N (ScAlN) films grown on Mo substrates by molecular beam epitaxy. Switchable ferroelectricity is confirmed in ScAlN films with thicknesses ranging from 100 to 5 nm. An increase in coercive field and a significant diminution of remnant polarization are found when the ferroelectric layer is scaled down to below 20 nm. Notably, a switching voltage of 2–3.8 V and saturated remnant polarization of ∼23 μC/cm2 are measured in 5 nm thick ScAlN. X-ray diffractions and transmission electron microscopy studies indicate that the increase in coercive field and diminishment in switchable polarization can be closely linked to the surface oxidation and strain state in ultrathin ScAlN films. This work sheds light on the fundamental thickness scaling fingerprints of ScAlN thin films and represents an important step for next-generation compact and power-efficient devices and applications based on nitride ferroelectrics.
References
1.
L.
Xie
, L. Z.
Li
, C. A.
Heikes
, Y.
Zhang
, Z. J.
Hong
, P.
Gao
, C. T.
Nelson
, F.
Xue
, E.
Kioupakis
, L. Q.
Chen
, D. G.
Schlom
, P.
Wang
, and X. Q.
Pan
, Adv. Mater.
29
(30
), 1701475
(2017
).2.
V.
Garcia
, S.
Fusil
, K.
Bouzehouane
, S.
Enouz-Vedrenne
, N. D.
Mathur
, A.
Barthelemy
, and M.
Bibes
, Nature
460
(7251
), 81
(2009
).3.
M.
Dawber
, K. M.
Rabe
, and J. F.
Scott
, Rev. Mod. Phys.
77
(4
), 1083
(2005
).4.
A.
Gruverman
and A.
Kholkin
, Rep. Prog. Phys.
69
(8
), 2443
(2006
).5.
Y.
Nishi
and B.
Magyari-Kope
, Advances in Non-Volatile Memory and Storage Technology
(Woodhead Publishing
, 2019
).6.
L. W.
Martin
and A. M.
Rappe
, Nat. Rev. Mater.
2
(2
), 16087
(2016
).7.
D.
Meier
and S. M.
Selbach
, Nat. Rev. Mater.
7
(3
), 157
(2021
).8.
D.
Ielmini
and H. S. P.
Wong
, Nat. Electron.
1
(6
), 333
(2018
).9.
A. I.
Khan
, A.
Keshavarzi
, and S.
Datta
, Nat. Electron.
3
(10
), 588
(2020
).10.
A.
Sebastian
, M. L.
Gallo
, R.
Khaddam-Aljameh
, and E.
Eleftheriou
, Nat. Nanotechnol.
15
(7
), 529
(2020
).11.
H. J.
Lee
, M.
Lee
, K.
Lee
, J.
Jo
, H.
Yang
, Y.
Kim
, S. C.
Chae
, U.
Waghmare
, and J. H.
Lee
, Science
369
(6509
), 1343
(2020
).12.
G. F.
Nataf
, M.
Guennou
, J. M.
Gregg
, D.
Meier
, J.
Hlinka
, E. K. H.
Salje
, and J.
Kreisel
, Nat. Rev. Phys.
2
(11
), 634
(2020
).13.
S. S.
Cheema
, D.
Kwon
, N.
Shanker
, R.
dos Reis
, S. L.
Hsu
, J.
Xiao
, H. G.
Zhang
, R.
Wagner
, A.
Datar
, M. R.
McCarter
, C. R.
Serrao
, A. K.
Yadav
, G.
Karbasian
, C. H.
Hsu
, A. J.
Tan
, L. C.
Wang
, V.
Thakare
, X.
Zhang
, A.
Mehta
, E.
Karapetrova
, R. V.
Chopdekar
, P.
Shafer
, E.
Arenholz
, C. M.
Hu
, R.
Proksch
, R.
Ramesh
, J.
Ciston
, and S.
Salahuddin
, Nature
580
(7804
), 478
(2020
).14.
J. H.
Haeni
, P.
Irvin
, W.
Chang
, R.
Uecker
, P.
Reiche
, Y. L.
Li
, S.
Choudhury
, W.
Tian
, M. E.
Hawley
, B.
Craigo
, A. K.
Tagantsev
, X. Q.
Pan
, S. K.
Streiffer
, L. Q.
Chen
, S. W.
Kirchoefer
, J.
Levy
, and D. G.
Schlom
, Nature
430
(7001
), 758
(2004
).15.
P.
Sharma
, Z.
Huang
, M. S.
Li
, C. J.
Li
, S. B.
Hu
, H.
Lee
, J. W.
Lee
, C. B.
Eom
, S. J.
Pennycook
, J.
Seidel
, Ariando
, and A.
Gruverman
, Adv. Funct. Mater.
28
(23
), 1707159
(2018
).16.
S. V.
Kalinin
, Y.
Kim
, D. D.
Fong
, and A. N.
Morozovska
, Rep. Prog. Phys.
81
(3
), 036502
(2018
).17.
Y.
Jiang
, E.
Parsonnet
, A.
Qualls
, W.
Zhao
, S.
Susarla
, D.
Pesquera
, A.
Dasgupta
, M.
Acharya
, H.
Zhang
, T.
Gosavi
, C. C.
Lin
, D. E.
Nikonov
, H.
Li
, I. A.
Young
, R.
Ramesh
, and L. W.
Martin
, Nat. Mater.
21
(7
), 779
(2022
).18.
S.
Fichtner
, N.
Wolff
, F.
Lofink
, L.
Kienle
, and B.
Wagner
, J. Appl. Phys.
125
(11
), 114103
(2019
).19.
P.
Wang
, D. A.
Laleyan
, A.
Pandey
, Y.
Sun
, and Z. T.
Mi
, Appl. Phys. Lett.
116
(15
), 151903
(2020
).20.
P.
Wang
, D.
Wang
, N. M.
Vu
, T.
Chiang
, J. T.
Heron
, and Z. T.
Mi
, Appl. Phys. Lett.
118
(22
), 223504
(2021
).21.
D.
Wang
, P.
Wang
, B. Y.
Wang
, and Z. T.
Mi
, Appl. Phys. Lett.
119
(11
), 111902
(2021
).22.
H. T.
Lue
, C. J.
Wu
, and T. Y.
Tseng
, IEEE Trans. Electron Devices
49
(10
), 1790
(2002
).23.
D. X.
Wang
, P.
Musavigharavi
, J.
Zheng
, G.
Esteves
, X. W.
Liu
, M. M. A.
Fiagbenu
, E. A.
Stach
, D.
Jariwala
, and R. H.
Olsson
, Phys. Status Solidi-RRL
15
(5
), 2000575
(2021
).24.
P.
Wang
, D.
Wang
, S.
Mondal
, and Z. T.
Mi
, Appl. Phys. Lett.
121
(2
), 023501
(2022
).25.
D.
Wang
, P.
Wang
, S.
Mondal
, S.
Mohanty
, T.
Ma
, E.
Ahmadi
, and Z. T.
Mi
, Adv. Electron. Mater.
8
(9
), 2200005
(2022
).26.
S.
Leone
, J.
Ligl
, C.
Manz
, L.
Kirste
, T.
Fuchs
, H.
Menner
, M.
Prescher
, J.
Wiegert
, A.
Zukauskaite
, R.
Quay
, and O.
Ambacher
, Phys. Status Solidi RRL
14
(1
), 1900535
(2020
).27.
P.
Wang
, D.
Wang
, Y. T.
Bi
, B. Y.
Wang
, J.
Schwartz
, R.
Hovden
, and Z. T.
Mi
, Appl. Phys. Lett.
120
(1
), 012104
(2022
).28.
X. W.
Liu
, D. X.
Wang
, K. H.
Kim
, K.
Katti
, J.
Zheng
, P.
Musavigharavi
, J. S.
Miao
, E. A.
Stach
, R. H.
Olsson
, and D.
Jariwala
, Nano Lett.
21
(9
), 3753
(2021
).29.
S. Y.
Zhang
, D.
Holec
, W. Y.
Fu
, C. J.
Humphreys
, and M. A.
Moram
, J. Appl. Phys.
114
(13
), 133510
(2013
).30.
G.
Schonweger
, M. R.
Islam
, N.
Wolff
, A.
Petraru
, L.
Kienle
, H.
Kohlstedt
, and S.
Fichtner
, Phys Status Solidi-RRL
17
, 2200312
(2023
).31.
S. K.
Ryoo
, K. D.
Kim
, H. W.
Park
, Y. B.
Lee
, S. H.
Lee
, I. S.
Lee
, S.
Byun
, D.
Shim
, J. H.
Lee
, H.
Kim
, Y. H.
Jang
, M. H.
Park
, and C. S.
Hwang
, Adv. Electron. Mater.
8
(11
), 2200726
(2022
).32.
S. L.
Tsai
, T.
Hoshii
, H.
Wakabayashi
, K.
Tsutsui
, T. K.
Chung
, E. Y.
Chang
, and K.
Kakushima
, Jpn. J. Appl. Phys.
60
(Sb
), SBBA05
(2021
).33.
R.
Mizutani
, S.
Yasuoka
, T.
Shiraishi
, T.
Shimizu
, M.
Uehara
, H.
Yamada
, M.
Akiyama
, O.
Sakata
, and H.
Funakubo
, Appl. Phys. Express
14
(10
), 105501
(2021
).34.
H.
Qiao
, C.
Wang
, W. S.
Choi
, M. H.
Park
, and Y.
Kim
, Mater. Sci. Eng.: R
145
, 100622
(2021
).35.
D.
Wang
, P.
Wang
, S.
Mondal
, Y.
Xiao
, M.
Hu
, and Z.
Mi
, Appl. Phys. Lett.
121
(4
), 042108
(2022
).36.
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
).37.
P.
Wang
, D.
Wang
, B.
Wang
, S.
Mohanty
, S.
Diez
, Y.
Wu
, Y.
Sun
, E.
Ahmadi
, and Z.
Mi
, Appl. Phys. Lett.
119
(8
), 082101
(2021
).38.
P.
Wang
, D.
Wang
, S.
Mondal
, M.
Hu
, T.
Ma
, and Z.
Mi
, “Ferroelectric Nitride Heterostructures on CMOS Compatible Molybdenum for Synaptic Memristors” (unpublished).39.
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
).40.
S.
Fichtner
, F.
Lofink
, B.
Wagner
, G.
Schonweger
, T. N.
Kreutzer
, A.
Petraru
, and H.
Kohlstedt
, in IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics
(2020
).41.
S.
Yasuoka
, T.
Shimizu
, A.
Tateyama
, M.
Uehara
, H.
Yamada
, M.
Akiyama
, Y.
Hiranaga
, Y. S.
Cho
, and H.
Funakubo
, J. Appl. Phys.
128
(11
), 114103
(2020
).42.
S.
Rassay
, F.
Hakim
, C.
Li
, C.
Forgey
, N.
Choudhary
, and R.
Tabrizian
, Phys. Status Solidi-RRL
15
(5
), 2100087
(2021
).43.
H. F.
Kay
and J. W.
Dunn
, Philos. Mag.
7
(84
), 2027
(1962
).44.
M.
Dawber
, P.
Chandra
, P. B.
Littlewood
, and J. F.
Scott
, J. Phys.
15
(24
), L393
(2003
).45.
S.
Yasuoka
, R.
Mizutani
, R.
Ota
, T.
Shiraishi
, T.
Shimizu
, S.
Yasui
, Y.
Ehara
, K.
Nishida
, M.
Uehara
, H.
Yamada
, M.
Akiyama
, Y.
Imai
, O.
Sakata
, and H.
Funakubo
, J. Ceram. Soc. Jpn.
130
(7
), 436
(2022
).46.
K.
Yazawa
, A.
Zakutayev
, and G. L.
Brennecka
, Appl. Phys. Lett.
121
(4
), 042902
(2022
).47.
M.
Noor-A-Alam
, O. Z.
Olszewski
, and M.
Nolan
, ACS Appl. Mater. Interfaces
11
(22
), 20482
(2019
).© 2023 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2023
Author(s)
You do not currently have access to this content.
