Nature子刊：通过设计肖特基势垒实现金属/铁电/半导体隧道结的超大隧穿电阻

yuyu88 8年前 (2017-05-26) 6922浏览

【引言】

自发极化方向可以随外电场转向，让铁电薄膜在非易失性存储器领域有巨大的应用前景。铁电随机存储器早已商业化，其有高的写入速度、低功耗等优势。然而，铁电随机存取存储器是基于电容器结构，而且读出是破坏性的，这些限制了铁电随机存取存储器的小型化，增加其读出时间，严重影响设备寿命。最近，铁电自发极化转向已经在只有几个晶胞厚的超薄薄膜中实现了。电阻型非易失性铁电存储器，具有高密度集成、非破坏性读出等优势，其是基于铁电隧道结（FTJs）实现的。两个金属电极被超薄铁电材料隔开，形成势垒，从而构成铁电隧道结。一个铁电隧道结总的有效势垒可以通过铁电势垒中自发极化转向进行调制，从而让高值（关状态）和低值（开状态）之间的隧穿阻值TER（隧穿电阻）的非易失开关出现。隧穿电阻的相关特征已经被研究过，其是用金属性的(La_0.67Sr_0.33)MnO₃ 或SrRuO₃作为其中一个电极，而扫描隧道显微镜的导读尖端作为另一个电极。基于铁电隧道结的电阻型非易失性铁电存储器显示出了巨大的优势，而且隧穿电阻行为在许多种铁电隧道结中被观测到，其开/关电流比源于铁电势垒高度的调制。近来许多研究致力提高隧穿电阻行为，其中一种方法是通过在铁电势垒和金属电极中引入额外电极实现的比如在Co/BTO表面引入CoO_x层。在这些铁电隧道结中，额外的势垒可以在不同的高度或宽度的响应极化转向，并为结处提供更有效的调制。其中金属/铁电/半导体隧道结中引入的肖特基势垒被许多研究证明具有巨大优越性。

【成果简介】

近日，来自青岛大学温峥和南京大学吴迪（共同通讯）对Pt/BaTiO₃/Nb:SrTiO₃金属/铁电/半导体隧道结进行了系统研究，制备出了性能十分优异的隧道结，大大推动了铁电存储器的应用。研究成果以“Giant tunnelling electroresistance in metal/ferroelectric/semiconductor tunnel junctions by engineering the Schottky barrier”为题发表在Nature Communications上。

研究人员用脉冲激光沉积法在NbSTO (Nb: 0.01–1.0 wt%)单晶衬底生长4-16晶胞厚的超薄BTO薄膜，然后再在BTO/NbSTO异质结上溅射Pt电极，从而制备出铁电隧道结。研究人员通过改变Nb的掺杂量和BaTiO₃薄膜的厚度，对肖特基势垒进行调整设计，发现0.1 wt% Nb掺杂量和4个晶胞大小厚的BaTiO₃薄膜的铁电隧道结开/关比高达6.0×10⁶，当BaTiO₃薄膜最薄时，其对隧穿电流的阻碍作用可以忽略不计，但其仍具有铁电性，器件转变为偏振调制金属/半导体肖特基结，显示出通过调节隧穿阻值产生大的隧穿电阻有效性。

研究人员的工作为开发高性能非易失性存储器打下基础，通过选择合适的参数，肖特基隧道结具有很好的性能，研究人员的工作大大促进了相关材料的应用。

【图文导读】

图1 NbSTO衬底上4个晶胞大小厚的BaTiO₃薄膜的形貌图和铁电性能

（a）AFM表面形貌图和PFM测试示意图。插图是测量滞回性施加的脉冲序列。

（b）不同V_AC下，剩余PFM压电响应滞回曲线。插图是V_AC为3.2V (暗绿色) 和 4.4V (橙色)下，相滞回曲线和振幅滞回曲线。

（c）拟定测试畴的区域。

（d）确定拟定测试畴的区域后，PFM相图。

（c）确定拟定测试畴的区域后，PFM振幅图。

图2 不同钛酸钡薄膜厚度的Pt/BaTiO₃ (BTO)/Nb:SrTiO₃(NbSTO)铁电隧道结的隧穿电阻

（a, b, c）钛酸钡薄膜厚度依次减小，铁电隧道结Pt、BTO 、NbSTO的能带图。 Ф_Pt=5.65eV表示铂电极的功函数，χ_BTO表示钛酸钡的电子亲和能，χ_NbSTO表示NbSTO电子亲和能，E_Vac表示真空能级，E_C, E_V 和 E_F分别表示NbSTO的导带最低能级、价带最高能级、费米能级，d表示钛酸钡薄膜的厚度，W_d表示空间电荷区的宽度。

（d, e）在开和关状态下，钛酸钡薄膜厚度为4、8、16个晶胞大小，Pt/BTO/NbSTO (Nb: 0.7 wt%)隧道结的电流-电压曲线。（f）在0.6V电压读取下，结电流和对应的开关比与钛酸钡薄膜厚度的关系曲线。

图3 不同Nb掺杂量、钛酸钡薄膜厚度为4晶胞大小Pt/BaTiO₃ (BTO)/Nb:SrTiO₃(NbSTO)铁电隧道结的隧穿电阻

（a）开和关状态下，电流-电压曲线。

（b）在0.6V电压读取下，结电流和开/关比。

图4 钛酸钡薄膜厚度为4晶胞大小Pt/BaTiO₃ (BTO)/Nb:SrTiO₃(NbSTO)铁电隧道结拟合电流-电压曲线

（a, b）开与关状态下，lnJ_F–V曲线，黑色实线是其拟合曲线，拟合方程为方程（1）。图a中的插图是Nb掺杂量为0.1 wt%的隧道结的电流和电压曲线，青色实线是直接隧穿模型的拟合结果。

（c）从拟合结果得到的理想因子n与Nb掺杂量的关系曲线。

图5 不同Nb掺杂量、钛酸钡薄膜厚度为4个晶胞大小Pt/BaTiO₃ (BTO)/Nb:SrTiO₃(NbSTO)铁电隧道结C-V特征曲线和能线图

（a）开和关状态下，C_d^-2-Vd曲线，黑色实线是C_d^-2= 2（V_bi –V_d）/qε₀ε_rN_DS²拟合结果。a中的插图是Nb掺杂量为0.1 wt% 器件在开状态下的C_d^-2-V_d曲线。

（b）从拟合结果得到的N_D与Nb掺杂量的关系曲线。

（c）从拟合结果得到的V_bi与Nb掺杂量的关系曲线。

（d）开和关状态下，Wd与Nb掺杂量的关系曲线。

（f, g, h）开和关状态下，Nb掺杂量为1.0、0.1、0.01 wt%结零偏压下的能线图，其中绿箭头代表直接隧穿，而橙线代表热辅助隧穿。

图6 Nb掺杂量为1.0和0.1 wt%、钛酸钡薄膜厚度为4晶胞大小Pt/BaTiO₃ (BTO)/Nb:SrTiO₃(NbSTO)铁电隧道结耐久性

（a）数据的保持性。

（b）双极电阻切换，对于1.0 和0.1 wt% FTJs，循环脉冲电压分别为+2.5/-3.0V和+4.5/- 5.0V，红色脉冲电压为0.6V。

【小结】

研究人员用脉冲激光沉淀法和溅射法制备了Pt/BaTiO₃/Nb:SrTiO₃金属/铁电/半导体隧道结，系统研究了钛酸钡薄膜的厚度和Nb掺杂量对器件结构、性能等影响。研究人员发现发现0.1 wt% Nb掺杂量和4个晶胞大小厚的BaTiO₃薄膜的铁电隧道结开/关比高达6.0×10⁶，也找到了一系列规律。研究人员的工作大大推动了铁电隧道结的应用。

文献链接：Giant tunnelling electroresistance in metal/ferroelectric/semiconductor tunnel junctions by engineering the Schottky barrier（Nature Communications,2017, DOI: 10.1038/ncomms15217）

本文由材料人电子电工学术组一棵松供稿，材料牛整理编辑。

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