Pyroelectric and electrocaloric effects in hafnium oxide thin films

The material class of hafnium oxide-based ferroelectrics adds an unexpected and huge momentum to the long-known phenomenon of pyroelectricity. In this thesis, a comprehensive study of pyroelectric and electrocaloric properties of this novel ferroelectric material class is conducted. hafnium oxide is a lead-free, non-toxic transition metal oxide, and abundant in the manufacturing of semiconductor devices. The compatibility to existing fabrication processes spawns the possibility of on-chip infrared sensing, energy harvesting, and refrigeration solutions, for which this dissertation aims to lay a foundation. A screening of the material system with respect to several dopants reveals an enhanced pyroelectric response at the morphotropic phase boundary between the polar orthorhombic and the non-polar tetragonal phase. Further, a strong pyroelectric effect is observed when applying an electric field to antiferroelectric-like films, which is attributed to a field-induced transition between the tetragonal and orthorhombic phases. Primary and secondary pyroelectric effects are separated using high-frequency temperature cycles, where the effect of frequency-dependent substrate clamping is exploited. The piezoelectric response is determined by comparing primary and secondary pyroelectric coefficients, which reproduces the expected wake-up behavior in hafnium oxide films. Further, the potential of hafnium oxide for thermal-electric energy conversion is explored. The electrocaloric temperature change of only 20 nm thick films is observed directly by using a specialized test structure. By comparing the magnitude of the effect to the pyroelectric response, it is concluded that defect charges have an important impact on the electrocaloric effect in hafnium oxide-based ferroelectrics. Energy harvesting with a conformal hafnium oxide film on a porous, nano-patterned substrate is performed, which enhances the power output. Further, the integration of a pyroelectric energy harvesting device in a microchip for waste heat recovery and more energy-efficient electronic devices is demonstrated. High dielectric breakdown fields of up to 4 MV/cm in combination with a sizable pyroelectric response and a comparably low dielectric permittivity illustrate the prospect of hafnium oxide-based devices for future energy conversion applications

Roadmap on ferroelectric hafnia- and zirconia-based materials and devices

Ferroelectric hafnium and zirconium oxides have undergone rapid scientific development over the last decade, pushing them to the forefront of ultralow-power electronic systems. Maximizing the potential application in memory devices or supercapacitors of these materials requires a combined effort by the scientific community to address technical limitations, which still hinder their application. Besides their favorable intrinsic material properties, HfO2–ZrO2 materials face challenges regarding their endurance, retention, wake-up effect, and high switching voltages. In this Roadmap, we intend to combine the expertise of chemistry, physics, material, and device engineers from leading experts in the ferroelectrics research community to set the direction of travel for these binary ferroelectric oxides. Here, we present a comprehensive overview of the current state of the art and offer readers an informed perspective of where this field is heading, what challenges need to be addressed, and possible applications and prospects for further development

Material development of doped hafnium oxide for non-volatile ferroelectric memory application

Seit der Entdeckung von Ferroelektrizität in Hafniumoxid stellt es aufgrund seiner Prozesskompatibilität im Bereich der Mikroelektronik sowie seiner besonderen Eigenschaften ein wachsendes Forschungsfeld dar. Im Speziellen wird die Anwendung in nicht-flüchtigen Speichern, in neuromorphen Bauelementen sowie in piezo-/pyroelektrischen Sensoren untersucht. Jedoch ist das Verhalten von ferroelektrischem Hafniumoxid im Vergleich zu Ferroelektrika mit Perovskit-Struktur nicht im Detail verstanden. Zudem spielen Prozesseinflüsse während und nach der Abscheidung eine entscheidende Rolle für die Materialeigenschaften aufgrund der metastabilen Natur der ferroektrischen Phase in diesem Materialsystem. In dieser Arbeit werden die grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Hafniumoxid, Prozesseinflüsse auf die Mikrostruktur und Zuverlässigkeitsaspekte von nicht-flüchtigen sowie neuromorphen Bauelementen untersucht. Im Bezug auf die physikalischen Eigenschaften zeigen sich hier deutliche Belege für ferroelastische 90° Domänenwandbewegungen in Hafniumoxid-basierten Dünnschichten, welche in einem ähnlichen Verhalten wie ein Antiferroelektrikum resultieren. Weiterhin wird über die Entdeckung von einer mittels elektrischem Feld induzierten Kristallisation in diesem Materialsystem berichtet. Für die Charakterisierung der Mikrostruktur wird als neue Methode Transmissions-Kikuchi-Diffraktion eingeführt, welche eine detaillierte Untersuchung der lokalen kristallographischen Phase, Orientierung und Gefügestruktur ermöglicht. Hierbei zeigen sich deutliche Vorzugsorientierungen in Abhängigkeit des Substrates, der Dotierstoffkonzentration sowie der Glühtemperatur. Auf Basis dieser Ergebnisse lassen sich die beobachteten Zuverlässigkeitsverhalten in Bauelementen erklären und mittels Defektkontrolle weiter optimieren. Schließlich wird das Verhalten in neuromorphen Bauelementen untersucht und Leitlinien für Prozess- und Bauelementoptimierung gegeben.:Abstract i Abstract ii List of Figures vi List of Tables x Acronyms xi Symbols xiv 1 Introduction 1 2 Theoretical background 3 2.1 Behavior of ferroelectric materials 3 2.1.1 Phase transitions at the Curie temperature 4 2.1.2 Domains, domain walls, and microstructure 5 2.2 Ferroelectricity in HfO2 6 2.2.1 Thermodynamics and kinetics 8 2.2.2 Antiferroelectric-like behavior, wake-up effect, and fatigue 11 2.2.3 Piezo- and pyroelectric effects 13 2.3 Ferroelectric FETs 13 2.3.1 Endurance, retention and variability 14 2.3.2 Neuromorphic devices 15 3 Methodology 17 3.1 Electrical analysis 17 3.1.1 Capacitors 17 3.1.2 FeFETs 19 3.2 Structural and chemical analysis 20 3.2.1 Grazing-incident X-ray diffraction (GIXRD) 20 3.2.2 Transmission electron microscopy (TEM) 20 3.2.3 Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) 21 3.3 Transmission Kikuchi diffraction 21 3.4 Sample preparation 23 4 The physics of ferroelectric HfO2 25 4.1 Ferroelastic switching 25 4.2 Electric field-induced crystallization 30 5 Microstructure engineering 33 5.1 Microstructure and ferroelectric domains in HfO2 33 5.2 Doping influences 34 5.2.1 Zr doping (similar ionic radius) 35 5.2.2 Si doping (smaller ionic radius) 43 5.2.3 La doping (larger ionic radius) 50 5.2.4 Co-doping 50 5.3 Annealing influences 53 5.4 Interlayer influences 58 5.5 Interface layer influences 62 5.5.1 Structural differences in the HfO2 layer 63 5.5.2 Interactions of the interface and HfO2 layer 67 5.5.3 Substrate-driven changes in the Si-doping profile 73 5.6 Phenomenological wake-up behaviors and process guidelines 77 6 HfO2-based ferroelectric FETs 81 6.1 Endurance, retention and variability 81 6.1.1 Analytic model of HfO2-based FeFETs 84 6.1.2 Endurance improvements by interface fluorination 94 6.2 Neuromorphic devices and circuits 98 6.2.1 Current peroclation paths in FeFETs 100 6.2.2 Material and stack influences on synaptic devices 105 6.2.3 Reliability aspects of synaptic devices 106 7 Conclusion and outlook 109 Appendix 142 Density-functional-theory calculations 142 Supplementary Figures 143 Publications 145 Acknowledgment 156 Declaration 158The discovery of ferroelectricity in hafnium oxide spurred a growing research field due to hafnium oxides compatibility with processes in microelectronics as well as its unique properties. Notably, its application in non-volatile memories, neuromorphic devices as well as piezo- and pyroelectric sensors is investigated. However, the behavior of ferroelectric hafnium oxide is not understood into depth compared to common perovskite structure ferroelectrics. Due the the metastable nature of the ferroelectric phase, process conditions have a strong influence during and after its deposition. In this work, the physical properties of hafnium oxide, process influences on the microstructure as well as reliability aspects in non-volatile and neuromorphic devices are investigated. With respect to the physical properties, strong evidence is provided that the antiferroelectric-like behavior in hafnium oxide based thin films is governed by ferroelastic 90° domain wall movement. Furthermore, the discovery of an electric field-induced crystallization process in this material system is reported. For the analysis of the microstructure, the novel method of transmission Kikuchi diffraction is introduced, allowing an investigation of the local crystallographic phase, orientation and grain structure. Here, strong crystallographic textures are observed in dependence of the substrate, doping concentration and annealing temperature. Based on these results, the observed reliability behavior in the electronic devices is explainable and engineering of the present defect landscape enables further optimization. Finally, the behavior in neuromorphic devices is explored as well as process and design guidelines for the desired behavior are provided.:Abstract i Abstract ii List of Figures vi List of Tables x Acronyms xi Symbols xiv 1 Introduction 1 2 Theoretical background 3 2.1 Behavior of ferroelectric materials 3 2.1.1 Phase transitions at the Curie temperature 4 2.1.2 Domains, domain walls, and microstructure 5 2.2 Ferroelectricity in HfO2 6 2.2.1 Thermodynamics and kinetics 8 2.2.2 Antiferroelectric-like behavior, wake-up effect, and fatigue 11 2.2.3 Piezo- and pyroelectric effects 13 2.3 Ferroelectric FETs 13 2.3.1 Endurance, retention and variability 14 2.3.2 Neuromorphic devices 15 3 Methodology 17 3.1 Electrical analysis 17 3.1.1 Capacitors 17 3.1.2 FeFETs 19 3.2 Structural and chemical analysis 20 3.2.1 Grazing-incident X-ray diffraction (GIXRD) 20 3.2.2 Transmission electron microscopy (TEM) 20 3.2.3 Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) 21 3.3 Transmission Kikuchi diffraction 21 3.4 Sample preparation 23 4 The physics of ferroelectric HfO2 25 4.1 Ferroelastic switching 25 4.2 Electric field-induced crystallization 30 5 Microstructure engineering 33 5.1 Microstructure and ferroelectric domains in HfO2 33 5.2 Doping influences 34 5.2.1 Zr doping (similar ionic radius) 35 5.2.2 Si doping (smaller ionic radius) 43 5.2.3 La doping (larger ionic radius) 50 5.2.4 Co-doping 50 5.3 Annealing influences 53 5.4 Interlayer influences 58 5.5 Interface layer influences 62 5.5.1 Structural differences in the HfO2 layer 63 5.5.2 Interactions of the interface and HfO2 layer 67 5.5.3 Substrate-driven changes in the Si-doping profile 73 5.6 Phenomenological wake-up behaviors and process guidelines 77 6 HfO2-based ferroelectric FETs 81 6.1 Endurance, retention and variability 81 6.1.1 Analytic model of HfO2-based FeFETs 84 6.1.2 Endurance improvements by interface fluorination 94 6.2 Neuromorphic devices and circuits 98 6.2.1 Current peroclation paths in FeFETs 100 6.2.2 Material and stack influences on synaptic devices 105 6.2.3 Reliability aspects of synaptic devices 106 7 Conclusion and outlook 109 Appendix 142 Density-functional-theory calculations 142 Supplementary Figures 143 Publications 145 Acknowledgment 156 Declaration 15

Characterization of Novel Pyroelectrics: From Bulk GaN to Thin Film HfO2

The change of the spontaneous polarization due to a change of temperature is known as the pyroelectric effect and is restricted to crystalline, non-centrosymmetric and polar matter. Its main application is the utilization in infrared radiation sensors, but usage for waste heat energy harvesting or chemical catalysis is also possible. A precise quantification, i.e. the measurement of the pyroelectric coefficient p, is inevitable to assess the performance of a material. Hence, a comprehensive overview is provided in this work, which summarizes and evaluates the available techniques to characterize p. A setup allowing the fully automated measurement of p by utilizing the Sharp-Garn method and the measurement of ferroelectric hysteresis loops is described. It was used to characterize and discuss the behavior of p with respect to the temperature of the doped bulk III-V compound semiconductors gallium nitride and aluminum nitride and thin films of doped hafnium oxide, as reliable data for these materials is still missing in the literature. Here, the nitride-based semiconductors show a comparable small p and temperature dependency, which is only slightly affected by the incorporated dopant, compared to traditional ferroelectric oxides. In contrast, p of HfO2 thin films is about an order of magnitude larger and seems to be affected by the present dopant and its concentrations, as it is considered to be responsible for the formation of the polar orthorhombic phase.:1. Motivation and Introduction 2. Fundamentals 2.1. Dielectrics and their Classification 2.2. Polarization 2.3. Pyroelectricity 2.4. Ferroelectricty 2.5. Phase Transitions 2.6. Applications and Figures of Merit 3. Measurement Methods for the Pyroelectric Coefficient 3.1. General Considerations 3.1.1. Heating Concepts 3.1.2. Thermal Equilibrium 3.1.3. Electric Contact 3.1.4. Separation of Contributions 3.1.5. Thermally Stimulated Currents 3.2. Static Methods 3.2.1. Charge Compensation Method 3.2.2. Hysteresis Measurement Method 3.2.3. Direct Electrocaloric Measurement 3.2.4. Flatband Voltage Shift 3.2.5. X-ray Photoelectron Spectroscopy Method 3.2.6. X-ray Diffraction and Density Functional Theory 3.3. Dynamic Methods 3.3.1. Temperature Ramping Methods 3.3.2. Optical Methods 3.3.3. Periodic Pulse Technique 3.3.4. Laser Intensity Modulation Methods 3.3.5. Harmonic Waveform Techniques 4. Pyroelectric and Ferroelectric Characterization Setup 4.1. Pyroelectric Measurement Setup 4.1.1. Setup and Instrumentation 4.1.2. Automated Sharp-Garn Evaluation of Pyroelectric Coefficients 4.1.3. Further Examples 4.2. Hysteresis Loop Measurements 4.2.1. Instrumentation 4.2.2. Measurement and Evaluation 4.2.3. Examples 5. Investigated Material Systems 5.1. III-Nitride Bulk Semiconductors GaN and AlN 5.1.1. General Structure and Spontaneous Polarization 5.1.2. Applications 5.1.3. Crystal Growth and Doping 5.1.4. Pyroelectricity 5.2. Hafnium Oxide Thin Films 5.2.1. General Structure and Applications 5.2.2. Polar Properties in Thin Films 5.2.3. Doping Effects 5.2.4. Pyro- and Piezoelectricity 6. Results 6.1. The Pyroelectric Coefficient of Free-standing GaN and AlN 6.1.1. Sample Preparation 6.1.2. Pyroelectric Measurements 6.1.3. Lattice Influence 6.1.4. Slope Differences 6.2. Pyroelectricity of Doped Hafnium Oxide 6.2.1. Sharp-Garn Measurement on Thin Films 6.2.2. Effects of Silicon Doping 6.2.3. Dopant Comparison 7. Summary and Outlook A. Pyroelectric Current and Phase under Periodic Thermal Excitation B. Loss Current Correction for Shunt Method C. Conductivity Correction D. Comparison of Pyroelectric Figures of Merit Bibliography Publication List AcknowledgmentsDie Änderung der spontanen Polarisation durch eine Änderung der Temperatur ist bekannt als der pyroelektrische Effekt, welcher auf kristalline, nicht-zentrosymmetrische und polare Materie beschränkt ist. Er findet vor allem Anwendung in Infrarot-Strahlungsdetektoren, bietet aber weitere Anwendungsfelder wie die Niedertemperatur-Abwärmenutzung oder die chemische Katalyse. Eine präzise Quantifizierung, d. h. die Messung des pyroelektrischen Koeffizienten p, ist unabdingbar, um die Leistungsfähigkeit eines Materials zu bewerten. Daher bietet diese Arbeit u.a. einen umfassenden Überblick und eine Bewertung der verfügbaren Messmethoden zur Charakterisierung von p. Weiterhin wird ein Messaufbau beschrieben, welcher die voll automatisierte Messung von p mit Hilfe der Sharp-Garn Methode und auch die Charakterisierung der ferroelektrischen Hystereseschleife ermöglicht. Aufgrund fehlerender Literaturdaten wurde dieser Aufbau anschließend genutzt, um den temperaturabhängigen pyroelektrischen Koeffizienten der dotierten III-V-Verbindungshalbleiter Gallium- und Aluminiumnitrid sowie dünner Schichten bestehend aus dotiertem Hafniumoxid zu messen und zu diskutieren. Im Vergleich zu klassichen ferroelektrischen Oxiden zeigen dabei die nitridbasierten Halbleiter einen geringen pyroelektrischen Koeffizienten und eine kleine Temperaturabhängigkeit, welche auch nur leicht durch den vorhandenen Dotanden beeinflusst werden kann. Dagegen zeigen dünne Hafniumoxidschichten einen um eine Größenordnung größeren pyroelektrischen Koeffizienten, welcher durch den anwesenden Dotanden und seine Konzentration beeinflusst wird, da dieser verantwortlich für die Ausbildung der polaren, orthorhombischen Phase gemacht wird.:1. Motivation and Introduction 2. Fundamentals 2.1. Dielectrics and their Classification 2.2. Polarization 2.3. Pyroelectricity 2.4. Ferroelectricty 2.5. Phase Transitions 2.6. Applications and Figures of Merit 3. Measurement Methods for the Pyroelectric Coefficient 3.1. General Considerations 3.1.1. Heating Concepts 3.1.2. Thermal Equilibrium 3.1.3. Electric Contact 3.1.4. Separation of Contributions 3.1.5. Thermally Stimulated Currents 3.2. Static Methods 3.2.1. Charge Compensation Method 3.2.2. Hysteresis Measurement Method 3.2.3. Direct Electrocaloric Measurement 3.2.4. Flatband Voltage Shift 3.2.5. X-ray Photoelectron Spectroscopy Method 3.2.6. X-ray Diffraction and Density Functional Theory 3.3. Dynamic Methods 3.3.1. Temperature Ramping Methods 3.3.2. Optical Methods 3.3.3. Periodic Pulse Technique 3.3.4. Laser Intensity Modulation Methods 3.3.5. Harmonic Waveform Techniques 4. Pyroelectric and Ferroelectric Characterization Setup 4.1. Pyroelectric Measurement Setup 4.1.1. Setup and Instrumentation 4.1.2. Automated Sharp-Garn Evaluation of Pyroelectric Coefficients 4.1.3. Further Examples 4.2. Hysteresis Loop Measurements 4.2.1. Instrumentation 4.2.2. Measurement and Evaluation 4.2.3. Examples 5. Investigated Material Systems 5.1. III-Nitride Bulk Semiconductors GaN and AlN 5.1.1. General Structure and Spontaneous Polarization 5.1.2. Applications 5.1.3. Crystal Growth and Doping 5.1.4. Pyroelectricity 5.2. Hafnium Oxide Thin Films 5.2.1. General Structure and Applications 5.2.2. Polar Properties in Thin Films 5.2.3. Doping Effects 5.2.4. Pyro- and Piezoelectricity 6. Results 6.1. The Pyroelectric Coefficient of Free-standing GaN and AlN 6.1.1. Sample Preparation 6.1.2. Pyroelectric Measurements 6.1.3. Lattice Influence 6.1.4. Slope Differences 6.2. Pyroelectricity of Doped Hafnium Oxide 6.2.1. Sharp-Garn Measurement on Thin Films 6.2.2. Effects of Silicon Doping 6.2.3. Dopant Comparison 7. Summary and Outlook A. Pyroelectric Current and Phase under Periodic Thermal Excitation B. Loss Current Correction for Shunt Method C. Conductivity Correction D. Comparison of Pyroelectric Figures of Merit Bibliography Publication List Acknowledgment

Growth of binary oxides on Si substrates:solid solutions of SiO2-GeO2 and HfO2-ZrO2

Functional oxides are materials with interesting properties for electronic applications. In this thesis, we investigate the growth of thin films of two types of oxides: mixtures of silicon oxide and germanium oxide, and mixtures of hafnium oxide and zirconium oxide. These mixtures can have varying amounts of their components, which we can use to change their properties. Silicon and germanium oxide can adopt the alpha-quartz structure, which is piezoelectric (that is, they can convert electrical stimuli to a mechanical response, and vice versa). This is an important property for communications components. To make devices that operate at higher frequencies (5G and beyond), we would like to make ever smaller quartz elements. To do this, we grow silicon and germanium oxide thin films in a non-crystalline, thus non-piezoelectric state. We can do this by alternating layers of pure silicon oxide with layers of pure germanium oxide using a chemistry-based method (Atomic Layer Deposition), or by growing a mix of the two using a physics-based method (Pulsed Laser Deposition). Then, we guide them into the correct crystalline form in a high temperature furnace. Hafnium and zirconium oxide are peculiar in that they can be ferroelectric (which has applications in memory storage) but only when they are grown in very thin films. We investigate their behavior when these films are grown by Pulsed Laser Deposition on silicon substrates (the most common substrate type in industry). In both cases, we investigate the results using various techniques, mainly based on X-ray diffraction and electron microscopy

Miniaturized Transistors

What is the future of CMOS? Sustaining increased transistor densities along the path of Moore's Law has become increasingly challenging with limited power budgets, interconnect bandwidths, and fabrication capabilities. In the last decade alone, transistors have undergone significant design makeovers; from planar transistors of ten years ago, technological advancements have accelerated to today's FinFETs, which hardly resemble their bulky ancestors. FinFETs could potentially take us to the 5-nm node, but what comes after it? From gate-all-around devices to single electron transistors and two-dimensional semiconductors, a torrent of research is being carried out in order to design the next transistor generation, engineer the optimal materials, improve the fabrication technology, and properly model future devices. We invite insight from investigators and scientists in the field to showcase their work in this Special Issue with research papers, short communications, and review articles that focus on trends in micro- and nanotechnology from fundamental research to applications

Solid State Circuits Technologies

The evolution of solid-state circuit technology has a long history within a relatively short period of time. This technology has lead to the modern information society that connects us and tools, a large market, and many types of products and applications. The solid-state circuit technology continuously evolves via breakthroughs and improvements every year. This book is devoted to review and present novel approaches for some of the main issues involved in this exciting and vigorous technology. The book is composed of 22 chapters, written by authors coming from 30 different institutions located in 12 different countries throughout the Americas, Asia and Europe. Thus, reflecting the wide international contribution to the book. The broad range of subjects presented in the book offers a general overview of the main issues in modern solid-state circuit technology. Furthermore, the book offers an in depth analysis on specific subjects for specialists. We believe the book is of great scientific and educational value for many readers. I am profoundly indebted to the support provided by all of those involved in the work. First and foremost I would like to acknowledge and thank the authors who worked hard and generously agreed to share their results and knowledge. Second I would like to express my gratitude to the Intech team that invited me to edit the book and give me their full support and a fruitful experience while working together to combine this book

Epigraphene : epitaxial graphene on silicon carbide

This article presents a review of epitaxial graphene on silicon carbide, from fabrication to properties, put in the context of other forms of graphene.Comment: 46 pages, 322 references, 35 figures. Submitted December 201

Kombination Resistiver und Ferroelektrischer Schaltmechanismen in HfO2-basierten Bauelementen

In den kommenden Jahren ist eine deutliche Erhöhung des digitalen Speicherbedarfs zu erwarten, was neue Anforderungen an künftige Speichertechnologien und –architekturen bringt. Hafniumoxid ist aktuell das Standard-Gatedielektrikum für Transistoren in der Halbleitertechnologie und wird in resistiven und ferroelektrischen Speichern eingesetzt, die für kommende Speichergenerationen geeignet sind. In dieser Arbeit wird die Kombination aus resistiven und ferroelektrischen Speichermechanismen untersucht. Zunächst konnte gezeigt werden, dass sich beide Schaltvorgänge in einer Zelle realisieren lassen. Dazu wurde eine polykristalline, ferroelektrische Hafniumoxidschicht in eine Kondensatorstruktur mit unterschiedlichen Elektroden gebracht. Der reversible resistive und ferroelektrische Schaltvorgang beruht auf einer Zurücksetz-Operation in einen sehr hochohmigen Zustand, wodurch die Oxidschicht für weiteres ferroelektrisches Schalten genutzt werden konnte. Zusätzlich wurde der Einfluss von Sauerstofffehlstellen auf die resistiven Formier- und Schreibspannungen nachgewiesen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden ferroelektrische Tunnelkontakte (engl. FTJ) hergestellt und systematisch auf ihre Schalt- und Speichereigenschaften untersucht. Diese beruhen auf der Informationsspeicherung in der ferroelektrischen Hafniumzirkoniumoxid-Schicht (HZO) und auf einem resistiven Auslesemechanismus, bei dem der Tunnelstrom für den jeweiligen Polarisationszustand gemessen wird. Dieser Lesevorgang ist nichtdestruktiv. Für den quantenmechanischen Tunnelvorgang sind dünne Oxidschicht notwendig, um einen ausreichend hohen Tunnelstrom zu erreichen. HZO-basierte Schichten verlieren ihre ferroelektrischen Eigenschaften unter einer kritischen Schichtdicke, die für einen klassischen Metall-Ferroelektrikum-Metall-Tunnelkontakt zu hoch ist. Dazu wurde in dieser Arbeit der Ansatz gewählt, zusätzlich eine dielektrische Aluminiumoxid-Tunnelbarriere in die Struktur einzubringen. Dadurch können die ferroelektrische und dielektrische Schicht unabhängig voneinander optimiert werden (2-lagiger ferroelektrischer Tunnelkontakt). Es konnte gezeigt werden, dass nur in einem bestimmten Dielektrikums-Schichtdickenbereich zwischen etwa 2-2,5nm das gewünschte Tunnelverhalten der Struktur hervortritt. Beim Setzen der jeweiligen Polarisationszustände tritt in der Schaltkinetik der bekannte Zeit-Amplituden-Kompromiss auf. Dieser wurde mithilfe des nukleationslimierten Schaltmodells untersucht. Über eine geeignete Wahl von Pulsdauer und –amplitude können durch Teilpolarisation Zwischenzustände gespeichert werden. Die Zyklenfestigkeit zeigt ein stärkeres Aufwachverhalten als die reine HZO-Schicht. Es konnte gezeigt werden, dass der Auslesetunnelstroms direkt mit dem Anstieg der remanenten Polarisation korreliert und somit das Speicherfenster mit einem An/Aus-Verhältnis von 10 erst nach etwa 10^2 Schaltzyklen vollständig geöffnet ist. Die Datenhaltung zeigte nur ein marginales Speicherfenster bei Extrapolation auf 10 Jahre. Die Datenhaltung konnte durch Abscheidung von Titannitrid- und Platin-Metallelektroden mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten stabilisiert werden. Damit ließ sich das Speicherfenster deutlich erhöhen. Die Möglichkeit, Zwischenzustände speichern und graduell einzustellen zu können, erlaubt die Nutzung der zweilagigen FTJs als künstliche Synapsen. Dazu wurde über verschiedene Pulsfolgen der veränderliche Tunnelwiderstand als synaptisches Gewicht interpretiert. Damit konnte Potenzierung- und Depressionsverhalten der künstlichen Synapse emuliert werden.:Danksagung I Kurzzusammenfassung II Abstract III Symbolverzeichnis VI Abkürzungsverzeichnis IX 1 Einführung und Motivation 1 2 Grundlagen 4 2.1 Dielektrizität und Ferroelektrizität 4 2.2 Ferroelektrizität in HfO2 9 2.3 Arten ferroelektrischer Speicher 13 2.3.1 Ferroelektrischer Kondensator 13 2.3.2 Ferroelektrischer Feldeffekttransistor 15 2.3.3 Ferroelektrischer Tunnelkontakt 16 2.4 Überblick über resistive Speicher 24 3 Experimentelle Methoden 28 3.1 Physikalische Charakterisierung 28 3.1.1 Röntgendiffraktometrie unter streifendem Einfall 28 3.1.2 Röntgenreflektometrie 28 3.1.3 Transmissionselektronenmikroskopie 29 3.2 Elektrische Untersuchungsmethoden 29 3.2.1 Elektrische Messung resistiver Schaltkurven 29 3.2.2 Dynamische Hysteresekurven und Messung der Zyklenfestigkeit 29 3.2.3 Elektrische Messung der ferroelektrischen Tunnelkontakte 30 3.3 Abscheideverfahren zur Herstellung der Kondensatorstrukturen 31 3.3.1 Reaktives Magnetronsputtern 32 3.3.2 Elektronenstrahlverdampfung und Thermisches Verdampfen 32 3.3.3 Atomlagenabscheidung 33 4 Resistives und ferroelektrisches Schalten in einer Zelle 34 4.1 Resistives Schalten in amorphem und kristallinem HfO2 34 4.2 Kombination von resistivem und ferroelektrischem Schalten in einer Struktur 38 5 Ferroelektrische Tunnelkontakte 46 5.1 Charakterisierung der ferroelektrischen Hafniumzirkoniumoxid-Schicht 46 5.2 Übersicht und Aufbau der untersuchten Proben 50 5.3 (Ferro-)Elektrische Eigenschaften und Schichtdickenoptimierung der FE/DE-FTJs 53 5.3.1 Einfluss der Al2O3-Schichtdicke 60 5.3.2 Skalierbarkeit 64 5.4 Schaltkinetik 67 5.5 Zyklenfestigkeit 78 5.6 Datenhaltung 87 5.6.1 Einfluss von Depolarisationsfeldern in zweilagigen FTJs 87 5.6.2 Optimierung durch Elektroden mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten 93 5.7 Anwendung von FTJs als künstliche Synapse in gepulsten neuronalen Netzen 97 5.8 Vergleich, Ausblick und weiterführende Verbesserung des Bauelements 105 6 Zusammenfassung und Ausblick 109 Literaturverzeichnis XI Curriculum Vitae XXXVIII Publikationsliste XL Selbstständigkeitserklärung XLII