SrTiO3鐵電隧道結(jié)的電阻回線
aSrTiO3薄膜的表面形貌,b鐵電性能,cd針尖寫入的疇結(jié)構(gòu),e于疇結(jié)構(gòu)對應(yīng)的隧穿電流分布
南京大學(xué)青年學(xué)者聯(lián)誼會成員、現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院吳迪教授課題組在鐵電隧道結(jié)研究方面取得重要進(jìn)展。他們首次提出并制備了基于金屬/超薄鐵電薄膜/半導(dǎo)體隧穿結(jié)構(gòu)的新型鐵電阻變存儲器件，獲得了巨大的電阻開關(guān)比，極大地提高了鐵電隧道結(jié)的性能。該論文近日在線發(fā)表于《自然—材料學(xué)》期刊網(wǎng)站上。
非易失性存儲器在斷電時仍能保持所存儲的數(shù)據(jù)。隨著小型化便攜式電子產(chǎn)品的普及，對高密度非易失性存儲器的市場需求越來越大。目前，主流的非易失性存儲(即U盤使用的FLASH方案)面臨功耗大、集成度已逼近其物理極限等瓶頸。發(fā)展新的非易失性存儲方案成為必由之路。以鐵電隧道結(jié)為存儲單元的鐵電阻性存儲近來備受關(guān)注。
鐵電隧道結(jié)是一個金屬/超薄鐵電薄膜/金屬三明治結(jié)構(gòu)，以幾個納米厚度的鐵電層作為電子隧穿勢壘，鐵電層中自發(fā)極化翻轉(zhuǎn)使得勢壘高度在高低兩個值中變化，而從在隧道結(jié)中獲得高、低兩個非揮發(fā)電阻態(tài)。鐵電隧道結(jié)具有非破壞性讀出、高存儲密度、超快數(shù)據(jù)訪問、低能耗等優(yōu)勢，因而被認(rèn)為有望突破傳統(tǒng)的非揮發(fā)存儲的瓶頸。鐵電隧穿阻變的電阻開關(guān)比越高，應(yīng)用前景越明朗，但是以往的工作得到的電阻開關(guān)比只有幾倍到幾百倍，限制了它的應(yīng)用前景。
南京大學(xué)吳迪教授課題組注意到隧穿機(jī)率同時依賴于勢壘的高度和寬度，借鑒鐵電場效應(yīng)器件工作原理，提出基于金屬/超薄鐵電薄膜/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的新型鐵電隧道結(jié)，通過鐵電場效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)極化翻轉(zhuǎn)對勢壘高度和寬度的同時調(diào)控，獲得增強(qiáng)的電阻開關(guān)比。課題組經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，成功地在Nb:SrTiO3半導(dǎo)體襯底上外延了厚度僅為7個晶胞高度(約3 nm)的高質(zhì)量BaTiO3鐵電薄膜，并獲得了穩(wěn)定的極化翻轉(zhuǎn)；在Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3隧穿結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了高達(dá)104的電阻開關(guān)比，比此前報道的最好結(jié)果提高了兩個數(shù)量級，并且表現(xiàn)出可靠的阻態(tài)翻轉(zhuǎn)重復(fù)性和長時間的數(shù)據(jù)保持性。這些突出的性能表明這一新型鐵電隧穿結(jié)構(gòu)在非揮發(fā)阻性鐵電存儲方面具有極大的應(yīng)用潛力。
