[論文レビュー] Colossal electroresistance in metal/ferroelectric/semiconductor tunnel diodes for resistive switching memories

Zheng Wen, Chen Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2012

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 1被引用数 352

ひとこと要約

本論文は、金属/鉄安定性酸化物/半導体（MFS）トンネルダイオードを提案する。ここで、重ドーピングされた半導体が一方の金属電極に置き換えられ、フェロエレクトリック効果によりトンネル障壁の高さと幅を電気的に調整可能となる。これにより、Pt/BaTiO₃/Nb:SrTiO₃ヘテロ構造において室温で10⁴を超えるON/OFF導電率比を示す、巨大なトンネル電気抵抗（TER）効果が実現され、非破壊読み出し可能な非揮発性抵抗メモリ素子への強い可能性を示している。

ABSTRACT

We propose a tunneling heterostructure by replacing one of the metal electrodes in a metal/ferroelectric/metal ferroelectric tunnel junction with a heavily doped semiconductor. In this metal/ferroelectric/semiconductor tunnel diode, both the height and the width of the tunneling barrier can be electrically modulated due to the ferroelectric field effect, leading to a colossal tunneling electroresistance. This idea is implemented in Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3 heterostructures, in which an ON/OFF conductance ratio above 10$^4$ can be readily achieved at room temperature. The colossal tunneling electroresistance, reliable switching reproducibility and long data retention observed in these ferroelectric tunnel diodes suggest their great potential in non-destructive readout nonvolatile memories.

研究の動機と目的

• 非破壊読み出し機能を有する抵抗スイッチングメモリ素子の開発を目的とする。
• 従来の金属/鉄安定性酸化物/金属（MFM）トンネルジャンクションの制限を克服するため、一方の金属電極を重ドーピングされた半導体に置き換える。
• 高性能メモリ応用に適した、大きな電気的に調整可能なトンネル電気抵抗（TER）を実現すること。
• 室温で信頼性の高いスイッチング再現性と長期間のデータ保持性を示すこと。

提案手法

• Pt/BaTiO₃/Nb:SrTiO₃を用いたトンネルヘテロ構造を設計し、Nb:SrTiO₃をゲート制御可能な半導体電極として機能させる。
• BaTiO₃におけるフェロエレクトリックフィールド効果を活用し、トンネル障壁の高さと幅を電気的に制御する。
• 半導体が障壁を貫く強い電場を維持できることを活かし、トンネル導電率の大きな変化を実現する。
• 外部電圧を印加してフェロエレクトリック分極を切り替えることで、トンネル障壁を変化させ、導電率の大きな変化を誘発する。
• 電流-電圧（I-V）測定を用いてトンネル電気抵抗比を定量的に評価する。
• 繰り返しサイクル実験および大気下での環境条件下で、スイッチング安定性とデータ保持性を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェロエレクトリックトンネルジャンクションの一方の金属電極を重ドーピングされた半導体に置き換えることで、トンネル電気抵抗が顕著に向上するか？
• RQ2 MFSヘテロ構造におけるトンネル障壁の電場制御が、室温で巨大なTER効果を引き起こすか？
• RQ3 提案されたMFSトンネルダイオードは、非揮発性メモリに適した信頼性の高い繰り返しスイッチングと長期間のデータ保持性を示せるか？
• RQ4 MFS構造における導電率比は、従来のMFMフェロエレクトリックトンネルジャンクションと比較してどのように異なるか？

主な発見

• MFSトンネルダイオードは室温で10⁴を超えるON/OFF導電率比を達成し、巨大なトンネル電気抵抗効果を示した。
• トンネル障壁の高さと幅がフェロエレクトリックフィールド効果により電気的に制御可能であり、大規模な導電率変調が可能となった。
• 多数のサイクルにわたり信頼性の高いスイッチング再現性を示し、安定した動作を確認した。
• 長期間のデータ保持が観察され、抵抗状態の非揮発性が確認された。
• Nb:SrTiO₃を半導体電極として用いることで、トンネル障壁の強い静電的制御が可能となった。
• 結果から、MFSヘテロ構造が非破壊読み出し可能で非揮発性の抵抗メモリ応用に実現可能であることが確認された。