Nature子刊：通過設計肖特基勢壘實現金屬/鐵電/半導體隧道結的超大隧穿電阻

【引言】

自發極化方向可以隨外電場轉向，讓鐵電薄膜在非易失性存儲器領域有巨大的應用前景。鐵電隨機存儲器早已商業化，其有高的寫入速度、低功耗等優勢。然而，鐵電隨機存取存儲器是基于電容器結構，而且讀出是破壞性的，這些限制了鐵電隨機存取存儲器的小型化，增加其讀出時間，嚴重影響設備壽命。最近，鐵電自發極化轉向已經在只有幾個晶胞厚的超薄薄膜中實現了。電阻型非易失性鐵電存儲器，具有高密度集成、非破壞性讀出等優勢，其是基于鐵電隧道結（FTJs）實現的。兩個金屬電極被超薄鐵電材料隔開，形成勢壘，從而構成鐵電隧道結。一個鐵電隧道結總的有效勢壘可以通過鐵電勢壘中自發極化轉向進行調制，從而讓高值（關狀態）和低值（開狀態）之間的隧穿阻值TER（隧穿電阻）的非易失開關出現。隧穿電阻的相關特征已經被研究過，其是用金屬性的(La_0.67Sr_0.33)MnO₃ 或SrRuO₃作為其中一個電極，而掃描隧道顯微鏡的導讀尖端作為另一個電極。基于鐵電隧道結的電阻型非易失性鐵電存儲器顯示出了巨大的優勢，而且隧穿電阻行為在許多種鐵電隧道結中被觀測到，其開/關電流比源于鐵電勢壘高度的調制。近來許多研究致力提高隧穿電阻行為，其中一種方法是通過在鐵電勢壘和金屬電極中引入額外電極實現的比如在Co/BTO表面引入CoO_x層。在這些鐵電隧道結中，額外的勢壘可以在不同的高度或寬度的響應極化轉向，并為結處提供更有效的調制。其中金屬/鐵電/半導體隧道結中引入的肖特基勢壘被許多研究證明具有巨大優越性。

【成果簡介】

近日，來自青島大學溫崢和南京大學吳迪（共同通訊）對Pt/BaTiO₃/Nb:SrTiO₃金屬/鐵電/半導體隧道結進行了系統研究，制備出了性能十分優異的隧道結，大大推動了鐵電存儲器的應用。研究成果以“Giant tunnelling electroresistance in metal/ferroelectric/semiconductor tunnel junctions by engineering the Schottky barrier”為題發表在Nature? Communications上。

研究人員用脈沖激光沉積法在NbSTO (Nb: 0.01–1.0 wt%)單晶襯底生長4-16晶胞厚的超薄BTO薄膜，然后再在BTO/NbSTO異質結上濺射Pt電極，從而制備出鐵電隧道結。研究人員通過改變Nb的摻雜量和BaTiO₃薄膜的厚度，對肖特基勢壘進行調整設計，發現0.1 wt% Nb摻雜量和4個晶胞大小厚的BaTiO₃薄膜的鐵電隧道結開/關比高達6.0×10⁶，當BaTiO₃薄膜最薄時，其對隧穿電流的阻礙作用可以忽略不計，但其仍具有鐵電性，器件轉變為偏振調制金屬/半導體肖特基結，顯示出通過調節隧穿阻值產生大的隧穿電阻有效性。

研究人員的工作為開發高性能非易失性存儲器打下基礎，通過選擇合適的參數，肖特基隧道結具有很好的性能，研究人員的工作大大促進了相關材料的應用。

【圖文導讀】

圖1? NbSTO襯底上4個晶胞大小厚的BaTiO₃薄膜的形貌圖和鐵電性能

（a）AFM表面形貌圖和PFM測試示意圖。插圖是測量滯回性施加的脈沖序列。

（b）不同V_AC下，剩余PFM壓電響應滯回曲線。插圖是V_AC為3.2V (暗綠色) 和 4.4V (橙色)下，相滯回曲線和振幅滯回曲線。

（c）擬定測試疇的區域。

（d）確定擬定測試疇的區域后，PFM相圖。

（c）確定擬定測試疇的區域后，PFM振幅圖。

圖2? 不同鈦酸鋇薄膜厚度的Pt/BaTiO₃ (BTO)/Nb:SrTiO₃ (NbSTO)鐵電隧道結的隧穿電阻

（a, b, c）鈦酸鋇薄膜厚度依次減小，鐵電隧道結Pt、BTO 、NbSTO的能帶圖。?Ф_Pt=5.65eV表示鉑電極的功函數，χ_BTO表示鈦酸鋇的電子親和能，χ_NbSTO表示NbSTO電子親和能，E_Vac表示真空能級，E_C, E_V 和 E_F分別表示NbSTO的導帶最低能級、價帶最高能級、費米能級，d表示鈦酸鋇薄膜的厚度，W_d表示空間電荷區的寬度。

（d, e）在開和關狀態下，鈦酸鋇薄膜厚度為4、8、16個晶胞大小，Pt/BTO/NbSTO (Nb: 0.7 wt%)隧道結的電流-電壓曲線。（f）在0.6V電壓讀取下，結電流和對應的開關比與鈦酸鋇薄膜厚度的關系曲線。

圖3? 不同Nb摻雜量、鈦酸鋇薄膜厚度為4晶胞大小Pt/BaTiO₃ (BTO)/Nb:SrTiO₃ (NbSTO)鐵電隧道結的隧穿電阻

（a）開和關狀態下，電流-電壓曲線。

（b）在0.6V電壓讀取下，結電流和開/關比。

圖4? 鈦酸鋇薄膜厚度為4晶胞大小Pt/BaTiO₃ (BTO)/Nb:SrTiO₃ (NbSTO)鐵電隧道結擬合電流-電壓曲線

（a, b）開與關狀態下，lnJ_F–V曲線，黑色實線是其擬合曲線，擬合方程為方程（1）。圖a中的插圖是Nb摻雜量為0.1 wt%的隧道結的電流和電壓曲線，青色實線是直接隧穿模型的擬合結果。

（c）從擬合結果得到的理想因子n與Nb摻雜量的關系曲線。

圖5? 不同Nb摻雜量、鈦酸鋇薄膜厚度為4個晶胞大小Pt/BaTiO₃ (BTO)/Nb:SrTiO₃ (NbSTO)鐵電隧道結C-V特征曲線和能線圖

（a）開和關狀態下，C_d^-2-Vd曲線，黑色實線是C_d^-2= 2（V_bi –V_d）/qε₀ε_rN_DS²擬合結果。a中的插圖是Nb摻雜量為0.1 wt% 器件在開狀態下的C_d^-2-V_d曲線。

（b）從擬合結果得到的N_D與Nb摻雜量的關系曲線。

（c）從擬合結果得到的V_bi與Nb摻雜量的關系曲線。

（d）開和關狀態下，Wd與Nb摻雜量的關系曲線。

（f, g, h）開和關狀態下，Nb摻雜量為1.0、0.1、0.01 wt%結零偏壓下的能線圖，其中綠箭頭代表直接隧穿，而橙線代表熱輔助隧穿。

圖6? Nb摻雜量為1.0和0.1 wt%、鈦酸鋇薄膜厚度為4晶胞大小Pt/BaTiO₃ (BTO)/Nb:SrTiO₃ (NbSTO)鐵電隧道結耐久性

（a）數據的保持性。

（b）雙極電阻切換，對于1.0 和0.1 wt% FTJs，循環脈沖電壓分別為+2.5/-3.0V和+4.5/- 5.0V，紅色脈沖電壓為0.6V。

【小結】

研究人員用脈沖激光沉淀法和濺射法制備了Pt/BaTiO₃/Nb:SrTiO₃金屬/鐵電/半導體隧道結，系統研究了鈦酸鋇薄膜的厚度和Nb摻雜量對器件結構、性能等影響。研究人員發現發現0.1 wt% Nb摻雜量和4個晶胞大小厚的BaTiO₃薄膜的鐵電隧道結開/關比高達6.0×10⁶，也找到了一系列規律。研究人員的工作大大推動了鐵電隧道結的應用。

文獻鏈接：Giant tunnelling electroresistance in metal/ferroelectric/semiconductor tunnel junctions by engineering the Schottky barrier（Nature? Communications,2017, DOI: 10.1038/ncomms15217）

本文由材料人電子電工學術組一棵松供稿，材料牛整理編輯。

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