Influence des charges piégées sur le champ électrique interne de nanocondensateurs.

10 janvier 2025

En utilisant l’holographie électronique operando, des chercheurs du CEMES ont quantifié les charges piégées aux différentes interfaces de nanocondensateurs à base de HfO₂ et de Al₂O₃. La cartographie du potentiel électrostatique à une résolution spatiale inférieure au nanomètre associée à une polarisation électrique in situ démontre que ces interfaces présentent une forte densité de charges piégées et modifie fortement la distribution du champ électrique interne.

Les interfaces dans les hétérostructures jouent un rôle majeur dans le fonctionnement des dispositifs électroniques. Les mécanismes de piégeage et de dépiégeage de charges aux interfaces affectent la dynamique des nanocondensateurs et des transistors. Cependant, les phénomènes de charge induits par le champ électrique restent peu connus, même dans les hétérostructures diélectriques conventionnelles, en raison du manque de méthodes de mesure directe.

Des chercheurs du CEMES ont étudié des nanocondensateurs multicouches HfO₂/Al₂O₃/HfO₂ et Al₂O₃/HfO₂/Al₂O₃ avec des électrodes de TiN par holographie électronique operando. Grâce à une extrême sensibilité du système expérimental et une résolution spatiale sub-nanométrique, et en combinaison avec des simulations par éléments finis, ils ont mis en évidence la présence de charges piégées négatives ou positives aux différentes interfaces lorsqu’une la polarisation électrique est appliquée in situ, permettant d’étudier quantitativement l’influence de ces couches interfaciales sur la distribution du champ électrique.

Contrairement aux calculs théoriques pour des condensateurs parfaits composés de diélectriques ayant des permittivités différentes, ils ont observé une distribution uniforme du champ électrique dans l’ensemble de la structure due à la présence de charges piégées aux interfaces diélectrique/diélectrique. Les charges aux interfaces métal/diélectrique font quant à elles écran au champ appliqué, de sorte que le champ effectif à travers les diélectriques est plus faible. Les densités de charges piégées aux interfaces métal/diélectrique dépendent de la séquence d’empilement, de la nature du diélectrique et du signe de la polarisation. La quantité de charge piégée à ces interfaces diélectrique/diélectrique est liée à la différence de permittivité pour homogénéiser le champ effectif, ce qui semble expliquer leur présence. Il serait intéressant d’étudier d’autres systèmes du même type pour vérifier si ce résultat peut être généralisé à toutes les interfaces entre diélectriques de permittivités différentes.

Contacts :
Christophe Gatel | christophe.gatel[chez]cemes.fr
Martin Hÿtch | martin.hytch[chez]cemes.fr

Publication :
Quantification of interfacial charges in based HfO2/Al2O3 nanocapacitors by operando electron holography
L. Zhang, M.H. Raza, K. Gruel, R. Wu, C. Dubourdieu, M.J. Hÿtch, and C. Gatel
Advanced Materials, 2413691 (2024)
DOI : https://doi.org/10.1002/adma.202413691