[论文解读] 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 352

一句话总结

本文提出一种金属/铁电/半导体（MFS）隧道二极管，其中用重掺杂半导体替代一个金属电极，通过铁电场效应实现隧穿势垒高度和宽度的电调制。这使得在Pt/BaTiO₃/Nb:SrTiO₃异质结构中，室温下实现了超过10⁴的开/关电导率比，表现出巨大的隧穿电致电阻（TER）效应，展示了其在非易失性、非破坏性读出阻变存储器器件中的强大潜力。

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.

研究动机与目标

• 开发具备非破坏性读出能力的阻变存储器件。
• 通过用重掺杂半导体替代一个金属电极，克服传统金属/铁电/金属（MFM）隧道结的局限性。
• 实现大范围、可电调制的隧穿电致电阻（TER），以满足高性能存储应用需求。
• 在室温下展示可靠且可重复的开关特性与长期数据保持能力。

提出的方法

• 设计基于Pt/BaTiO₃/Nb:SrTiO₃的隧穿异质结构，其中Nb:SrTiO₃作为栅压可调的半导体电极。
• 利用BaTiO₃中的铁电场效应，电控调节隧穿势垒的高度和宽度。
• 利用半导体在势垒区域维持强电场的能力，实现隧穿电导的大幅调制。
• 施加外部电压以切换铁电极化，从而改变隧穿势垒并诱导电导的显著变化。
• 通过电流-电压（I-V）测量表征器件，量化隧穿电致电阻比。
• 在重复循环和环境条件下分析开关稳定性和数据保持性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在铁电隧道结中用重掺杂半导体替代一个金属电极，是否能显著增强隧穿电致电阻？
• RQ2 在MFS异质结构中，通过电场调制隧穿势垒是否能在室温下产生巨大的TER效应？
• RQ3 所提出的MFS隧道二极管能否实现可靠、可重复的开关特性，并具备适用于非易失性存储的长期数据保持能力？
• RQ4 MFS结构中的电导率比与传统MFM铁电隧道结相比如何？

主要发现

• MFS隧道二极管在室温下实现了超过10⁴的开/关电导率比，表现出巨大的隧穿电致电阻效应。
• 通过铁电场效应，隧穿势垒的高度和宽度均可实现电调制，从而实现大范围的电导调制。
• 器件在多次循环中表现出可靠的开关可重复性，表明其运行稳定。
• 观察到长期数据保持，证实了电阻状态的非易失性。
• 使用Nb:SrTiO₃作为半导体电极，实现了对隧穿势垒的强静电控制。
• 结果证实了MFS异质结构在非破坏性读出、非易失性阻变存储应用中的可行性。