[en] Ferroelectric HfO2-based thin films have aroused great interest in the research field of memory devices, because it is a complementary metal oxide semiconductor compatible material with excellent scalability. However, it is needed to further clarify the nature of ferroelectricity and enhance the ferroelectric properties. Epitaxial thin films, with more controlled microstructure than polycrystalline films, can help to this objective. This thesis is focused on epitaxial HfO2-based films, investigating new deposition conditions, the use of different substrates and doping and their impact on basic functional properties. Switching and fatigue mechanisms are also investigated. In order to tailor the epitaxial growth of HfO2-based thin films, first, we grown Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) films under lower oxidizing condition with inert Ar gas to decrease the pulsed laser deposition (PLD) plasma energy when reducing the oxygen pressure in the deposition process. Optimized mixing Ar and O2 atmosphere allows increase of polarization around 50% respect films grown by conventional pulsed laser deposition. Second, we have investigated the effect of seed layers. Ultrathin HZO seed layer was grown on the bottom electrode to obtain crystallization of HZO film at lower deposition temperature. Third, we have found that orthorhombic phase can also be epitaxially stabilized on LSMO/STO(110) and LSMO/STO(111), having the films different in-plane epitaxial relationship than films on LSMO/STO(001) Doping effect of Zr and La on the ferroelectricity of HfO2 epitaxial films has been systematically studied. First, Hf1-xZrxO2 films in all the explored compositions are ferroelectric without wake-up effects. Endurance is better in HZO film than that of HfO2 and ZrO2 films. Second, we investigated the influence of La content, film thickness, and substrate induced epitaxial stress on the ferroelectricity of La:HfO2 films. The optimized La content is 2-5 at%. 2 at% La:HfO2 films with thickness less than 7 nm show a high Pr of about 30 μC/cm2, slight wake-up, an endurance of at least 1010 cycles and a retention of more than 10 years. 2 at% La:HfO2 films show the highest Pr for films grown on scandate substrates when compared with other perovskite substrates. Third, the Zr and La co-doping on HfO2-based films is explored. In 1% La doped HZO films, it is found that, as for other compositions, there is a reduction of polarization with thickness increase in the explored range; however, for the studied composition the reduction is less than for films without La doping. Endurance in epitaxial La-doped HZO films is more than 1010 cycles, and it is accompanied by excellent retention of more than 10 years at same voltage. This proves that there is no endurance-retention dilemma in La-doped HZO films as stated in previous literature. Furthermore, phases and polarization of the HfO2-ZrO2-La2O3 ternary system has been mapped observing that indeed 1%La doped HZO show the best performance Impact of crystal phases on ferroelectric properties, such as endurance and switching dynamics, is also investigated. Epitaxial HZO films almost free of parasitic monoclinic phase suffer severe fatigue. In contrast, fatigue is mitigated in films with greater amount of paraelectric phase. On the other hand, switching analysis reveals that pure orthorhombic phase films follow the Kolmogorov-Avrami-Ishibashi switching model. Instead, the mixed orthorhombic/monoclinic phase films show nucleation limited switching. Films having larger fraction of non-ferroelectric phase with concomitant larger number of incoherent grain boundaries show 2 orders of magnitude faster switching time. Both studies allow to conclude that the films showing the largest amount of ferroelectric orthorhombic phase do not show the best functional properties.

[es] Las capas finas ferroeléctricas basadas en HfO2, debido a su alta escalabilidad y a la compatibilidad con los procesos complementary metal oxide semiconductor - CMOS, han centrado un gran interés en el campo de los dispositivos de memoria. Sin embargo, es necesario entender mejor la naturaleza de la ferroelectricidad en este material con el fin de mejorar sus propiedades ferroeléctricas. Las capas finas epitaxiales, con microestructura más controlada que la de las capas policristalinas, pueden ayudar a realizar dicho objetivo. Esta tesis se focaliza en capas epitaxiales basadas en HfO2, investigando nuevas condiciones de depósito, usando distintos substratos, e investigando efectos de dopaje. Los mecanismos de conmutación y fatiga también se han investigado. Con el objetivo de lograr un mayor control en el crecimiento epitaxial de HfO2 dopado, hemos crecido en primer lugar capas finas de Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) bajo condiciones de baja oxidación. Para ello hemos usado una baja presión de oxígeno, introduciendo simultáneamente Ar gas en la cámara de depósito de láser pulsado (PLD) controlando la energía del plasma generado por ablación laser a la vez que las condiciones de oxidación. La optimización de la mezcla de gases de O2 y Ar ha permitido aumentar la polarización de las capas en un 50% respecto a capas equivalentes crecidas mediante condiciones PLD convencionales. En segundo lugar, hemos investigado los efectos de capas semilla, creciendo capas ultrafinas de HZO sobre el electrodo inferior para poder crecer encima HZO a menor temperatura. En tercer lugar, hemos demostrado que la fase ortorrómbica también puede estabilizarse epitaxialmente sobre LSMO/STO(110) y LSMO/STO(111), presentando las capas una relación epitaxial diferente a la de las capas sobre LSMO/STO(001). Se ha realizado un estudio sistemático de los efectos de dopaje con La y Zr sobre la ferroelectricidad de capas epitaxiales de HfO2. En primer lugar, demostramos que las capas de Hf1-xZrxO2 son ferroeléctricas en todo el rango de composición (desde x = 0 a x = 1), sin presentar además efecto de wake-up. La resistencia al ciclado es mejor en HZO que en capas de HfO2 o ZrO2. En segundo lugar, hemos investigado la influencia del contenido de La, espesor, y tensión epitaxial inducida por el substrato en la ferroelectricidad de capas de La:HfO2. El contenido óptimo de La es 2-5 at%. Capas de 2 at% La:HfO2 de espesor inferior a 7 nm presentan una alta Pr de unos 30 μC/cm2, efectos de wake-up mínimos, resistencia al ciclado de al menos 1010 ciclos y retención de más de 10 años. Creciendo 2 at% La:HfO2 sobre diversos substratos tipo perovskita hemos demostrado que la mayor polarización se obtiene sobre escandatos. En tercer lugar, hemos explorado el efecto sinérgico de co-dopar con La y Zr. En capas de HZO dopadas con 1% La se observa que la disminución de la polarización con el espesor es menor que en capas sin La. La resistencia al ciclado de capas de HZO dopadas con La es superior a 1010 ciclos, y además la retención es de más de 10 años cuando se ha usado el mismo voltaje, lo que demuestra que no existe un dilema entre retención y resistencia al ciclado en HZO dopado con La. Finalmente, hemos determinado el mapa de fases y polarización en el sistema ternario HfO2-ZrO2-La2O3. Hemos investigado el impacto de las fases presentes sobre las propiedades ferroeléctricas, en particular sobre la resistencia al ciclado y la dinámica de conmutación ferroeléctrica. La capas epitaxiales de HZO casi libres de fase parásita monoclínica sufren fatiga de manera severa, mientras que ésta es mucho menor en capas con cantidad alta de fase monoclínica. Por otra parte, hemos confirmado que en las capas básicamente