The discovery of hafnium oxide-based ferroelectrics has resulted in the pursuit of ferroelectric field-effect transistors with higher scalability, lower power consumption, and enhanced switching speed. An in-depth understanding of ferroelectric polarization switching kinetics is essential for both scientific and technological purposes. Polarization switching is analyzed based on the nucleation-limited switching model with a Lorentzian distribution of logarithmic switching times. The activation field governing the switching kinetics is explained by a dependence on the density of oxygen vacancies, which are caused by various annealing temperatures. This indicates that oxygen vacancies can be a dominant factor in the polarization switching of Si-doped HfO2 films.
REFERENCES
1.
S. D.
Hyun
, H. W.
Park
, Y. J.
Kim
, M. H.
Park
, Y. H.
Lee
, H. J.
Kim
, Y. J.
Kwon
, T.
Moon
, K.
Do Kim
, Y.
Bin Lee
, B. S.
Kim
, and C. S.
Hwang
, ACS Appl. Mater. Interfaces
10
, 35374
(2018
). 2.
E.
Yurchuk
, J.
Muller
, S.
Muller
, J.
Paul
, M.
Pesic
, R.
Van Bentum
, U.
Schroeder
, and T.
Mikolajick
, IEEE Trans. Electron Devices
63
, 3501
(2016
). 3.
S.
Salahuddin
and S.
Datta
, Nano Lett.
8
, 405
(2008
). 4.
S. C.
Chang
, U. E.
Avci
, D. E.
Nikonov
, and I. A.
Young
, IEEE J. Explor. Solid-State Comput. Devices Circuits
3
, 56
(2017
). 5.
M.
Hoffmann
, M.
Pešić
, K.
Chatterjee
, A. I.
Khan
, S.
Salahuddin
, S.
Slesazeck
, U.
Schroeder
, and T.
Mikolajick
, Adv. Funct. Mater.
26
, 8643
(2016
). 6.
H.
Ku
and C.
Shin
, IEEE J. Electron Devices Soc.
5
, 232
(2017
). 7.
A. I.
Khan
, K.
Chatterjee
, B.
Wang
, S.
Drapcho
, L.
You
, C.
Serrao
, S. R.
Bakaul
, R.
Ramesh
, and S.
Salahuddin
, Nat. Mater.
14
, 182
(2015
). 8.
S.
Park
, M. C.
Chun
, S.
Park
, G.
Yeon Park
, M.
Jung
, Y.
Noh
, S. E.
Ahn
, and B. S.
Kang
, Curr. Appl. Phys.
19
, 347
(2019
). 9.
Y. J.
Kim
, H. W.
Park
, S. D.
Hyun
, H. J.
Kim
, K.
Do Kim
, Y. H.
Lee
, T.
Moon
, Y.
Bin Lee
, M. H.
Park
, and C. S.
Hwang
, Nano Lett.
17
, 7796
(2017
). 10.
S. J.
Song
, Y. J.
Kim
, M. H.
Park
, Y. H.
Lee
, H. J.
Kim
, T.
Moon
, K.
Do Kim
, J. H.
Choi
, Z.
Chen
, A.
Jiang
, and C. S.
Hwang
, Sci. Rep.
6
, 20825
(2016
). 11.
T. S.
Böscke
, S.
Teichert
, D.
Bräuhaus
, J.
Müller
, U.
Schröder
, U.
Böttger
, and T.
Mikolajick
, Appl. Phys. Lett.
99
, 112904
(2011
). 12.
E.
Yurchuk
, J.
Müller
, S.
Knebel
, J.
Sundqvist
, A. P.
Graham
, T.
Melde
, U.
Schröder
, and T.
Mikolajick
, Thin Solid Films
533
, 88
(2013
). 13.
J.
Muller
, P.
Polakowski
, S.
Riedel
, S.
Mueller
, E.
Yurchuk
, and T.
Mikolajick
, in 2014 14th Annual Non-Volatile Memory Technology Symposium
(IEEE
, 2014
), pp. 1
–7
.14.
T. S.
Böscke
, J.
Müller
, D.
Bräuhaus
, U.
Schröder
, and U.
Böttger
, Appl. Phys. Lett.
99
, 102903
(2011
). 15.
M. H.
Park
, T.
Schenk
, C. M.
Fancher
, E. D.
Grimley
, C.
Zhou
, C.
Richter
, J. M.
Lebeau
, J. L.
Jones
, T.
Mikolajick
, and U.
Schroeder
, J. Mater. Chem. C
5
, 4677
(2017
). 16.
M. H.
Park
, Y. H.
Lee
, H. J.
Kim
, T.
Schenk
, W.
Lee
, K.
Do Kim
, F. P. G.
Fengler
, T.
Mikolajick
, U.
Schroeder
, and C. S.
Hwang
, Nanoscale
9
, 9973
(2017
). 17.
J.
Müller
, T. S.
Böscke
, U.
Schröder
, S.
Mueller
, D.
Bräuhaus
, U.
Böttger
, L.
Frey
, and T.
Mikolajick
, Nano Lett.
12
, 4318
(2012
). 18.
Y.
Zhang
, J.
Xu
, C.
Choi
, Z.
Fang
, P.
Li
, L.
Yuan
, and L.
Chen
, Vacuum
179
, 109506
(2020
). 19.
T.
Olsen
, U.
Schröder
, S.
Müller
, A.
Krause
, D.
Martin
, A.
Singh
, J.
Müller
, M.
Geidel
, and T.
Mikolajick
, Appl. Phys. Lett.
101
, 082905
(2012
). 20.
P.
Buragohain
, A.
Erickson
, P.
Kariuki
, T.
Mittmann
, C.
Richter
, P. D.
Lomenzo
, H.
Lu
, T.
Schenk
, T.
Mikolajick
, U.
Schroeder
, and A.
Gruverman
, ACS Appl. Mater. Interfaces
11
, 35115
(2019
). 21.
U.
Schroeder
, C.
Richter
, M. H.
Park
, T.
Schenk
, M.
Pešić
, M.
Hoffmann
, F. P. G.
Fengler
, D.
Pohl
, B.
Rellinghaus
, C.
Zhou
, C. C.
Chung
, J. L.
Jones
, and T.
Mikolajick
, Inorg. Chem.
57
, 2752
(2018
). 22.
Z.
Fan
, J.
Chen
, and J.
Wang
, J. Adv. Dielectr.
6
, 1630003
(2016
). 23.
M. H.
Park
, H. J.
Kim
, Y. J.
Kim
, W.
Lee
, T.
Moon
, K.
Do Kim
, and C. S.
Hwang
, Appl. Phys. Lett.
105
, 072902
(2014
). 24.
P. D.
Lomenzo
, Q.
Takmeel
, C.
Zhou
, C. M.
Fancher
, E.
Lambers
, N. G.
Rudawski
, J. L.
Jones
, S.
Moghaddam
, and T.
Nishida
, J. Appl. Phys.
117
, 134105
(2015
). 25.
M.
Hoffmann
, U.
Schroeder
, T.
Schenk
, T.
Shimizu
, H.
Funakubo
, O.
Sakata
, D.
Pohl
, M.
Drescher
, C.
Adelmann
, R.
Materlik
, A.
Kersch
, and T.
Mikolajick
, J. Appl. Phys.
118
, 072006
(2015
). 26.
H.
Ryu
, K.
Xu
, J.
Kim
, S.
Kang
, J.
Guo
, and W.
Zhu
, IEEE Trans. Electron Devices
66
, 2359
(2019
). 27.
S.
Stemmer
, Z. Q.
Chen
, W. J.
Zhu
, and T. P.
Ma
, J. Microsc.
210
, 74
(2003
). 28.
N.
Gong
, X.
Sun
, H.
Jiang
, K. S.
Chang-Liao
, Q.
Xia
, and T. P.
Ma
, Appl. Phys. Lett.
112
, 262903
(2018
). 29.
Y.
Ishibashi
and Y.
Takagi
, J. Phys. Soc. Jpn.
31
, 506
(1971
). 30.
J. Y.
Jo
, H. S.
Han
, J. G.
Yoon
, T. K.
Song
, S. H.
Kim
, and T. W.
Noh
, Phys. Rev. Lett.
99
, 267602
(2007
). 31.
A. K.
Tagantsev
, I.
Stolichnov
, N.
Setter
, J. S.
Cross
, and M.
Tsukada
, Phys. Rev. B
66
, 214109
(2002
). 32.
A. G.
Chernikova
, M. G.
Kozodaev
, D. V.
Negrov
, E. V.
Korostylev
, M. H.
Park
, U.
Schroeder
, C. S.
Hwang
, and A. M.
Markeev
, ACS Appl. Mater. Interfaces
10
, 2701
(2018
). 33.
A. S.
Bondarenko
and G. A.
Ragoisha
, Progress in Chemometrics Research
(Nova Science
, New York
, 2005
), pp. 89
–102
, see http://www.abc.chemistry.bsu.by/vi/analyser/.34.
A. K.
Saha
, S.
Datta
, and S. K.
Gupta
, J. Appl. Phys.
123
, 105102
(2018
). 35.
T.-H.
Ryu
, D.-H.
Min
, and S.-M.
Yoon
, J. Appl. Phys.
128
, 074102
(2020
). 36.
37.
M. C.
Chun
, S.
Park
, S.
Park
, G.
yeon Park
, M. J.
Kim
, Y.
Cho
, and B. S.
Kang
, J. Alloys Compd.
823
, 153777
(2020
). 38.
F. P. G.
Fengler
, R.
Nigon
, P.
Muralt
, E. D.
Grimley
, X.
Sang
, V.
Sessi
, R.
Hentschel
, J. M.
LeBeau
, T.
Mikolajick
, and U.
Schroeder
, Adv. Electron. Mater.
4
, 1700547
(2018
). 39.
E. D.
Grimley
, T.
Schenk
, X.
Sang
, M.
Pešić
, U.
Schroeder
, T.
Mikolajick
, and J. M.
LeBeau
, Adv. Electron. Mater.
2
, 1600173
(2016
). 40.
M. C.
Chun
, S.
Park
, S.
Park
, G.
yeon Park
, and B. S.
Kang
, Curr. Appl. Phys.
19
, 503
(2019
). 41.
42.
Y.
Li
, J.
Li
, R.
Liang
, R.
Zhao
, B.
Xiong
, H.
Liu
, H.
Tian
, Y.
Yang
, and T.-L.
Ren
, Appl. Phys. Lett.
114
, 142902
(2019
). 43.
T.-H.
Ryu
, S.-J.
Yoon
, S.-Y.
Na
, and S.-M.
Yoon
, Curr. Appl. Phys.
19
, 1383
(2019
). 44.
C.
Künneth
, R.
Materlik
, M.
Falkowski
, and A.
Kersch
, ACS Appl. Nano Mater.
1
, 254
(2018
). 45.
T.
Schenk
, Ph.D. thesis
(University of Dresden
, Germany
, 2017
).46.
M. H.
Park
, H. J.
Kim
, Y. J.
Kim
, T.
Moon
, and C. S.
Hwang
, Appl. Phys. Lett.
104
, 072901
(2014
). 47.
P. D.
Lomenzo
, P.
Zhao
, Q.
Takmeel
, S.
Moghaddam
, T.
Nishida
, M.
Nelson
, C. M.
Fancher
, E. D.
Grimley
, X.
Sang
, J. M.
Lebeau
, and J. L.
Jones
, J. Vacuum Sci. Technol. B
32
, 03D123
(2014
). 48.
T. Y.
Lee
, K.
Lee
, H. H.
Lim
, M. S.
Song
, S. M.
Yang
, H. K.
Yoo
, D. I.
Suh
, Z.
Zhu
, A.
Yoon
, M. R.
Macdonald
, X.
Lei
, H. Y.
Jeong
, D.
Lee
, K.
Park
, J.
Park
, and S. C.
Chae
, ACS Appl. Mater. Interfaces
11
, 3142
(2019
). 49.
C.
Richter
, T.
Schenk
, M. H.
Park
, F. A.
Tscharntke
, E. D.
Grimley
, J. M.
LeBeau
, C.
Zhou
, C. M.
Fancher
, J. L.
Jones
, T.
Mikolajick
, and U.
Schröeder
, Adv. Electron. Mater.
3
, 1700131
(2017
). 50.
D.
Martin
, E.
Yurchuk
, S.
Müller
, J.
Müller
, J.
Paul
, J.
Sundquist
, S.
Slesazeck
, T.
Schlösser
, R.
van Bentum
, M.
Trentzsch
, U.
Schröder
, and T.
Mikolajick
, Solid State Electron.
88
, 65
(2013
). 51.
H. J.
Kim
, M. H.
Park
, Y. J.
Kim
, Y. H.
Lee
, T.
Moon
, K.
Do Kim
, S. D.
Hyun
, and C. S.
Hwang
, Nanoscale
8
, 1383
(2016
). 52.
Y.
Zhou
, Y. K.
Zhang
, Q.
Yang
, J.
Jiang
, P.
Fan
, M.
Liao
, and Y. C.
Zhou
, Comput. Mater. Sci.
167
, 143
(2019
). 53.
H. S.
Baik
, M.
Kim
, G. S.
Park
, S. A.
Song
, M.
Varela
, A.
Franceschetti
, S. T.
Pantelides
, and S. J.
Pennycook
, Appl. Phys. Lett.
85
, 672
(2004
). 54.
I.
Abdallah
, C.
Dupressoire
, L.
Laffont
, D.
Monceau
, and A.
Vande Put
, Corros. Sci.
153
, 191
(2019
). 55.
C.
Li
, Y.
Yao
, X.
Shen
, Y.
Wang
, J.
Li
, C.
Gu
, R.
Yu
, Q.
Liu
, and M.
Liu
, Nano Res.
8
, 3571
(2015
). 56.
P.
Rauwel
and E.
Rauwel
, Probing the Electronic Structure of HfO2 Polymorphs with Electron Energy Loss Spectroscopy in Microscopy: Advances in Scientific Research and Education
(Formatex Research Center
, 2014
), pp. 875
–886
.57.
M.
Adachi
, Y.
Kato
, K.
Kato
, M.
Sakashita
, H.
Kondo
, W.
Takeuchi
, O.
Nakatsuka
, and S.
Zaima
, Jpn. J. Appl. Phys.
50
, 04DA08
(2011
). 58.
J.
Bin Fan
, X. J.
Cheng
, H. X.
Liu
, S. L.
Wang
, and L.
Duan
, Chin. Phys. B
26
, 087701
(2017
). 59.
D. J.
Jung
, F. D.
Morrison
, M.
Dawber
, H. H.
Kim
, K.
Kim
, and J. F.
Scott
, J. Appl. Phys.
95
, 4968
(2004
). 60.
X. Y.
Li
, Q.
Yang
, J. X.
Cao
, L. Z.
Sun
, Q. X.
Peng
, Y. C.
Zhou
, and R. X.
Zhang
, J. Phys. Chem. C
122
, 3091
(2018
). © 2021 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2021
Author(s)
You do not currently have access to this content.