BaTiO3 (BTO) and LaxSr1 − xTiO3 (x ≤ 0.15) perovskite heterostructures are deposited epitaxially on SrTiO3 (STO)-buffered Si(001) via atomic layer deposition (ALD) to explore the formation of a quantum metal layer between a ferroelectric film and silicon. X-ray diffraction and scanning transmission electron microscopy show the crystallinity of the heterostructure deposited by ALD. After postdeposition annealing of the La-doped STO film in ultrahigh vacuum at 600 °C for 5 min, x-ray photoelectron spectra show the lack of La-dopant activation when the film is deposited on 10 nm-thick BTO. The same postdeposition annealing condition activates the La-dopant when LaxSr1 − xTiO3 films are deposited on STO-buffered Si(001) surfaces consisting of 2.8 nm of STO(001) on Si(001). Annealing of LaxSr1 − xTiO3 films sandwiched between BTO and STO-buffered Si(001) layers in air at temperatures ≤350 °C preserves the La-dopant activation. Piezoresponse force microscopy demonstrates the ferroelectric behavior of BTO films grown on LaxSr1 − xTiO3 surfaces. Sheet resistance and capacitance-voltage measurements further demonstrate the conductivity of the LaxSr1 − xTiO3 films sandwiched between the BTO film and the Si(001) substrate.

1.
V. V.
Zhirnov
and
R. K.
Cavin
,
Nat. Nanotechnol.
3
,
77
(
2008
).
2.
S. M.
Sze
and
K. K.
Ng
,
Physics of Semiconductor Devices
(
Wiley
,
New York
,
2006
).
3.
A. K.
Saha
,
S.
Datta
, and
S. K.
Gupta
,
J. Appl. Phys.
123
,
105102
(
2018
).
4.
S.
Salahuddin
and
S.
Datta
,
Nano Lett.
8
,
405
(
2008
).
5.
A. I.
Khan
,
D.
Bhowmik
,
P.
Yu
,
S.
Joo Kim
,
X.
Pan
,
R.
Ramesh
, and
S.
Salahuddin
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
113501
(
2011
).
6.
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
).
7.
G. A.
Salvatore
,
A.
Rusu
, and
A. M.
Ionescu
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
163504
(
2012
).
8.
O. F.
Shoron
,
S.
Raghavan
,
C. R.
Freeze
, and
S.
Stemmer
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
232902
(
2017
).
9.
J.
Jo
and
C.
Shin
,
Curr. Appl. Phys.
15
,
352
(
2015
).
10.
A.
Rusu
,
G. A.
Salvatore
,
D.
Jiménez
, and
A. M.
Ionescu
,
2010 International Electron Devices Meeting
,
San Francisco, CA
,
6–8 December 2010
(
IEEE
,
Piscataway, NJ
,
2010
), pp.
16.3.1
16.3.4
.
11.
D. J.
Frank
,
P. M.
Solomon
,
C.
Dubourdieu
,
M. M.
Frank
,
V.
Narayanan
, and
T. N.
Theis
,
IEEE Trans. Electron Devices
61
,
2145
(
2014
).
12.
A. I.
Khan
,
C. W.
Yeung
,
C.
Hu
, and
S.
Salahuddin
,
2011 International Electron Devices Meeting
,
Washington, DC
,
5–7 December 2011
(
IEEE
,
Piscataway, NJ
,
2011
), pp.
11.3.1
11.3.4
.
13.
C. H.
Ahn
,
R. H.
Hammond
,
T. H.
Geballe
,
M. R.
Beasley
,
J.-M.
Triscone
,
M.
Decroux
,
O.
Fischer
,
L.
Antognazza
, and
K.
Char
,
Appl. Phys. Lett.
70
,
206
(
1997
).
14.
J. A.
Moyer
,
C.
Eaton
, and
R.
Engel-Herbert
,
Adv. Mater.
25
,
3578
(
2013
).
15.
R. A.
McKee
,
F. J.
Walker
, and
M. F.
Chisholm
,
Phys. Rev. Lett.
81
,
3014
(
1998
).
16.
C.
Dubourdieu
 et al.,
Nat. Nanotechnol.
8
,
748
(
2013
).
17.
P.
Ponath
 et al.,
Nat. Commun.
6
,
6067
(
2015
).
18.
G.
Niu
,
S.
Yin
,
G.
Saint-Girons
,
B.
Gautier
,
P.
Lecoeur
,
V.
Pillard
,
G.
Hollinger
, and
B.
Vilquin
,
Microelectron. Eng.
88
,
1232
(
2011
).
19.
Y.
Wang
 et al.,
Appl. Phys. Lett.
80
,
97
(
2002
).
20.
B. T.
Liu
 et al.,
Appl. Phys. Lett.
80
,
4801
(
2002
).
21.
M. D.
McDaniel
,
A.
Posadas
,
T. Q.
Ngo
,
C. M.
Karako
,
J.
Bruley
,
M. M.
Frank
,
V.
Narayanan
,
A. A.
Demkov
, and
J. G.
Ekerdt
,
J. Appl. Phys.
115
,
224108
(
2014
).
22.
M.
Choi
 et al.,
J. Appl. Phys.
116
,
043705
(
2014
).
23.
D.
Olaya
,
F.
Pan
,
C. T.
Rogers
, and
J. C.
Price
,
Appl. Phys. Lett.
80
,
2928
(
2002
).
24.
S.
Abel
,
M.
Sousa
,
C.
Rossel
,
D.
Caimi
,
M. D.
Rossell
,
R.
Erni
,
J.
Fompeyrine
, and
C.
Marchiori
,
Nanotechnology
24
,
285701
(
2013
).
25.
L.
Mazet
,
S. M.
Yang
,
S. V.
Kalinin
,
S.
Schamm-Chardon
, and
C.
Dubourdieu
,
Sci. Technol. Adv. Mater.
16
,
036005
(
2015
).
26.
R.
Meyer
,
R.
Waser
,
J.
Helmbold
, and
G.
Borchardt
,
J. Electroceramics
9
,
101
(
2002
).
27.
N. G.
Eror
and
U.
Balachandran
,
J. Solid State Chem.
40
,
85
(
1981
).
28.
D. J.
Keeble
,
B.
Jalan
,
L.
Ravelli
,
W.
Egger
,
G.
Kanda
, and
S.
Stemmer
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
232905
(
2011
).
29.
R.
Moos
,
T.
Bischoff
,
W.
Menesklou
, and
K. H.
Hardtl
,
J. Mater. Sci.
32
,
4247
(
1997
).
30.
T. Q.
Ngo
,
A. B.
Posadas
,
M. D.
McDaniel
,
C.
Hu
,
J.
Bruley
,
E. T.
Yu
,
A. A.
Demkov
, and
J. G.
Ekerdt
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
082910
(
2014
).
31.
M. D.
McDaniel
,
A.
Posadas
,
T.
Wang
,
A. A.
Demkov
, and
J. G.
Ekerdt
,
Thin Solid Films
520
,
6525
(
2012
).
32.
M.
Choi
 et al.,
J. Appl. Phys.
111
,
064112
(
2012
).
33.
E. L.
Lin
,
S.
Hu
, and
J. G.
Ekerdt
,
Proc. SPIE
10105
,
1010519
(
2017
).
34.
E. L.
Lin
,
A. B.
Posadas
,
L.
Zheng
,
J.
Elliott Ortmann
,
S.
Abel
,
J.
Fompeyrine
,
K.
Lai
,
A. A.
Demkov
, and
J. G.
Ekerdt
,
J. Appl. Phys.
126
,
064101
(
2019
).
35.
M.
Björck
and
G.
Andersson
,
J. Appl. Crystallogr.
40
,
1174
(
2007
).
36.
L. J.
van der Pauw
,
Philips Res. Rep.
13
,
1
(
1958
); available at https://aki.issp.u-tokyo.ac.jp/okano/WalWiki/etc/VDP_PRR_13_1.pdf
37.
A.
Janotti
,
B.
Jalan
,
S.
Stemmer
, and
C. G.
Van de Walle
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
262104
(
2012
).
38.
H. E.
Swanson
,
R. K.
Fuyat
, and
G. M.
Ugrinic
,
Standard X-Ray Diffraction Powder Patterns
(
National Bureau of Standards
,
Washington, D.C.
,
1954
).
39.
F.
Niu
and
B. W.
Wessels
,
J. Vac. Sci. Technol. B
25
,
1053
(
2007
).
40.
W. H.
Zhang
,
L.
Chen
,
Y. T.
Tao
,
W. H.
Zhang
,
J.
Chen
, and
J. X.
Zhang
,
Phys. B Condens. Matter
406
,
4630
(
2011
).
41.
K. J.
Kormondy
 et al.,
Microelectron. Eng.
147
,
215
(
2015
).
42.
G.
Niu
,
B.
Gautier
,
S.
Yin
,
G.
Saint-Girons
,
P.
Lecoeur
,
V.
Pillard
,
G.
Hollinger
, and
B.
Vilquin
,
Thin Solid Films
520
,
4595
(
2012
).
43.
M. S. J.
Marshall
,
D. T.
Newell
,
D. J.
Payne
,
R. G.
Egdell
, and
M. R.
Castell
,
Phys. Rev. B
83
,
035410
(
2011
).
44.
A. M.
Kaiser
 et al.,
Appl. Phys. Lett.
100
,
261603
(
2012
).
45.
K.
Szot
,
W.
Speier
,
R.
Carius
,
U.
Zastrow
, and
W.
Beyer
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
075508
(
2002
).
46.
A. B.
Posadas
,
K. J.
Kormondy
,
W.
Guo
,
P.
Ponath
,
J.
Geler-Kremer
,
T.
Hadamek
, and
A. A.
Demkov
,
J. Appl. Phys.
121
,
105302
(
2017
).
47.
A.
Zenkevich
 et al.,
Appl. Phys. Lett.
102
,
062907
(
2013
).
48.
H. Z.
Massoud
,
Microelectron. Eng.
36
,
95
(
1997
).
You do not currently have access to this content.