Ferroelektrischer Feldeffekt induzierter asymmetrischer ohmscher Schalteffekt in epitaktischen BaTiO3/Nb:SrTiO3-Heteroübergängen

Hintergrund

Ferroelektrische resistive Schalteffekte haben viele Forschungsinteressen geweckt, da die Polarisationsumkehr auf einem rein elektronischen Mechanismus beruht, der keine chemische Veränderung induziert und ein intrinsisch schnelles Phänomen ist [1, 2]. Ferroelektrische Widerstandsschalteffekte wurden in ferroelektrischen Heteroübergängen beobachtet, die zwischen zwei Metall- oder Halbleiterelektroden eingeschlossen sind [3,4,5]. Viele interessante Verhaltensweisen wurden bei ferroelektrischen/Halbleiter-Heteroübergängen beobachtet. Beispielsweise wird bei BaTiO₃ . ein stark erhöhter Tunnel-Elektrowiderstand beobachtet (BTO)/(001)Nb:SrTiO₃ (NSTO) [4, 5] und MoS₂ /BaTiO₃ /SrRuO₃ [6] Heteroübergänge, da sowohl die Höhe als auch die Breite der Barriere durch den ferroelektrischen Feldeffekt moduliert werden können. In BaTiO₃ . wurde eine Koexistenz von bipolarem Widerstandsschalten und negativem Differenzwiderstand gefunden /(111)Nb:SrTiO₃ Heteroübergänge [7]. Der optisch kontrollierte Elektrowiderstand und die elektrisch kontrollierte Photospannung wurden in Sm_0,1 . beobachtet Bi_0.9 FeO₃ /(001)Nb:SrTiO₃ Heterojunctions [8]. Im BiFeO₃ . wurde eine ferroelektrische polarisationsmodulierte Bandverbiegung beobachtet /(100)NbSrTiO₃ Heterogrenzfläche durch Rastertunnelmikroskopie und Spektroskopie [9]. Bei BaTiO₃ . wurde ein Übergang vom Gleichrichtungseffekt zum bipolaren Widerstandsschalteffekt beobachtet /ZnO-Heteroübergänge [10].

Hier beobachten wir einen asymmetrischen resistiven Schalteffekt im BaTiO₃ /Nb:SrTiO₃ Schottky-Übergang, der noch nicht gemeldet wurde. Darüber hinaus schlagen wir einen ferroelektrischen Feldeffekt vor, um diesen asymmetrischen resistiven Schalteffekt zu verstehen. Insbesondere liegt der SET-Übergang vom hochohmigen zum niederohmigen Zustand in 10 ns unter + 8 V Vorspannung, während der RESET-Übergang vom niederohmigen zum hochohmigen Zustand im Bereich von 10 ⁵ ns unter − 8 V. Dies kann durch die ferroelektrische Polarisationsabschirmung durch Elektronen- und Sauerstoffleerstellen am BaTiO₃ . verstanden werden /Nb:SrTiO₃ Schnittstelle. Dieser Schalter mit schnellen SET- und langsamen RESET-Übergängen kann in einigen speziellen Regionen potenzielle Anwendungen haben.

Methoden

Die kommerziellen (100) 0,7 Gew.-% NSTO-Substrate wurden nacheinander in 15 Minuten mit Ethanol, Aceton und entionisiertem Wasser gereinigt und dann vor der Abscheidung mit Luft geblasen. Der BTO-Film wurde auf NSTO-Substraten durch gepulste Laserabscheidung (PLD) unter Verwendung eines KrF-Excimer-Lasers (248 nm, 25 ns Pulsdauer, COMPexPro201, Coherent) bei einer Energie von 300 mJ und einer Frequenz von 5 Hz mit einem Basisvakuum von . aufgewachsen 2 × 10 ⁻⁴ Pa. Während des Wachstums wurde die Substrattemperatur bei 700 °C gehalten und der Ziel-Substrat-Abstand betrug 6,5 cm. Der Sauerstoffpartialdruck betrug 1 Pa und die Wachstumszeit betrug 15 Minuten. Nach dem Wachstum wurde die Probe 10 Minuten lang unter einem Sauerstoffpartialdruck von 1 Pa gehalten, und dann wurde die Temperatur in einer Vakuumumgebung mit 10 °C/min auf Raumtemperatur reduziert. Die Dicke von BTO-Dünnschichten beträgt etwa 100 nm. Au-Oberseitenelektroden (0,04 mm ² .) ) wurden durch eine Lochmaske durch DC-Magnetron-Sputtern auf BTO-Dünnfilme gesputtert, und die untere Elektrode wurde auf ein NSTO-Substrat gepresstes Indium (In). Das Sourcemeter Keithley 2400 wurde verwendet, um Transportmessungen durchzuführen. Spannungsimpulse wurden von einem Arbiträrsignalgenerator (Agilent 33250A) mit einer Impulsdauer von 10 ns bis 1 s bereitgestellt. Die Ergebnisse der Rasterkraftmikroskopie (AFM), der Piezoreaktionskraftmikroskopie (PFM) und der Raster-Kelvinsondenmikroskopie (SKPM) wurden durchgeführt, um die Morphologie, Ferroelektrizität und das elektrostatische Potenzial der BTO-Filmoberfläche mit einem Oxford AR-Instrument zu charakterisieren. Die PFM-Out-of-Plane-Phase-, PFM-Out-of-Plane-Amplituden-, Strom- und SKPM-Bilder wurden mit einer vorgespannten leitfähigen Spitze von 0,5 V über dem gleichen Bereich aufgenommen, nachdem ein Bereich von 2 × 2 μm ^{2<. geschrieben wurde /sup> mit − 8 V und dann die zentrale 1,25 × 1,25 μm 2 Quadrat mit + 8 V. Bei allen Messungen wurden die unteren Elektroden geerdet und Spannungen an die oberen Elektroden oder die Spitze angelegt. Alle Messungen wurden bei Raumtemperatur durchgeführt.}

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a–d zeigt die Strom-Spannungs-Kurven des Au/BTO/NSTO/In-Systems, gemessen bei kleinen Vorspannungen zwischen − 0,5 und 0,5 V nach Anlegen eines Impulses mit unterschiedlichen Amplituden und Breiten, wobei Fig. 1a, b gemessen wird nach Pulse mit einer Breite von 100 ms mit verschiedenen Amplituden, während Fig. 1c, d nach Pulsen mit Amplituden von + 8 bzw. – 8 V mit verschiedenen Breiten gemessen wird. Abbildung 1e–h zeigt den bei − 0,3 V aufgezeichneten Übergangswiderstand nach Anlegen von Spannungsimpulsen mit unterschiedlichen Amplituden und Breiten ausgehend vom hochohmigen Zustand (HRS) (Abb. 1e, g) oder niederohmigen Zustand (LRS) ( Abb. 1f, h), wobei die Pulsbreiten in den Feldern e und f 100 ms betragen und die unterschiedlichen Kurven in den Feldern e und f verschiedenen aufeinanderfolgenden Messungen mit unterschiedlichen positiven oder negativen Maximalspannungen entsprechen. Der Einschub von Fig. 1a zeigt die schematische Zeichnung der Gerätestruktur. Das ohmsche Schalten in Au/BTO/NSTO wird durch die Strom-Spannungs-Kurven bei kleiner Vorspannung und die Widerstandsschleifen als Funktion der Schreibpulsamplituden demonstriert, nachdem zuerst ein relativ langer 100-ms-Puls mit variierenden Amplituden von − 8 . angelegt wurde bis 8 V, wie in Abb. 1a, b, e, f gezeigt. Offensichtlich können die positiven Impulse das Gerät in den niederohmigen Zustand versetzen, während die negativen Impulse das Gerät wieder in den hochohmigen Zustand schalten. Interessanterweise erfolgt das Umschalten zwischen den Zuständen EIN und AUS graduell, was für Widerstandsschaltgeräte mit mehreren Zuständen hilfreich ist, unabhängig davon, ob sie von HRS oder LRS ausgehen. Diese allmählichen Übergänge zwischen HRS und LRS wurden auch in der BTO/La_0.67 . beobachtet Sr_0,33 MnO₃ ferroelektrischer Tunnelübergang [2]. Ein Hysteresezyklus zwischen den niedrigen (3 × 10 ⁴ Ω) und hoch- (3 × 10 ⁶ Ω) Widerstandszustände mit einem großen AUS/EIN-Verhältnis von 100 beobachtet, wenn die Schreibspannung zwischen + 8 und – 8 V gesweept wird (Abb. 1e, f, schwarze Kurven). Die kleinen Schleifen in Abb. 1e, f zeigen, dass der endgültige Widerstandszustand je nach Zyklusprotokoll zwischen HRS und LRS fein abgestimmt werden kann. In ähnlicher Weise wurde ein Schreibimpuls mit variierender Amplitude von – 8 bis 8 V und einer Breite von 10 ns bis 1 s an das Gerät angelegt, und die IV-Kurven und der Übergangswiderstand wurden anschließend als Funktion der Schreibimpulsbreite aufgezeichnet, wie in gezeigt Abb. 1c, d, g, h. Offensichtlich erfolgt ein Umschalten zwischen HRS und LRS nur, wenn die Dauer des positiven (negativen) Spannungsimpulses lang genug und die Amplitude groß genug ist. Sowohl beim SET- als auch beim RESET-Vorgang wird die Pulsdauer mit zunehmender absoluter Pulsspannungsamplitude kleiner. Insbesondere ist die Umschaltzeit von HRS zu LRS bemerkenswert schnell, wobei 10-ns-Impulse über 4 V ausreichen, um den Übergangswiderstand zu sättigen, wie in Fig. 1g gezeigt. Im Gegensatz dazu wird ein vollständiges Umschalten auf das HRS nur durch relativ lange RESET-Impulse im Millisekundenbereich erreicht, wie in Fig. 1h gezeigt. Für die Anwendung memristiver Bauelemente zeigen Abb. 1e–h auch, dass ein Mehrebenenbetrieb durch Programmieren der Impulsspannungsamplitude oder -dauer erreicht werden kann.

Die Strom-Spannungs-Kurven des Au/BTO/NSTO/In-Systems bei kleinen Vorspannungen zwischen − 0,5 und 0,5 V nach Anlegen eines Pulses mit einer Breite von 100 ms mit verschiedenen Amplituden (a , b ). Die Strom-Spannungs-Kurven des Au/BTO/NSTO/In-Systems bei kleinen Vorspannungen nach Anlegen eines Impulses mit einer Amplitude von + 8 V (c ) und − 8 V (d ) mit verschiedenen Pulsweiten. Der Übergangswiderstand des Au/BTO/NSTO/In-Systems, aufgezeichnet bei − 0,3 V nach dem Anlegen von Spannungsimpulsen mit verschiedenen Amplituden und Breiten ausgehend von der HRS (e , g ) oder LRS (f , h ), wobei die Pulsbreiten in e und f sind 100 ms und die verschiedenen Kurven in e und f entsprechen verschiedenen aufeinanderfolgenden Messungen mit unterschiedlichen positiven oder negativen Maximalspannungen. Der Einsatz von a zeigt die schematische Darstellung des Geräteaufbaus

Topographiebilder in Abb. 2a zeigen, dass die Oberfläche des BTO-Films atomar flach ist, was Kurzschlüsse zwischen den oberen und unteren Elektroden verhindert [11]. Die in Abb. 2b gezeigten Hystereseschleifen der Piezoresponse-Kraft-Mikroskopie (PFM) außerhalb der Ebene zeigen die ferroelektrische Natur der BTO-Filme an. Die lokalen Koerzitivspannungen betragen ungefähr + 3,1 und – 3,1 V, angezeigt durch die Minima der Amplitudenschleife, wie in Abb. 2b gezeigt. Abbildung 2c–f zeigt die PFM-Out-of-Plane-Phase, PFM-Out-of-Plane-Amplitude, Strom und SKPM-Bilder von ferroelektrischen Domänen, die auf die BTO-Oberfläche geschrieben wurden, die über denselben Bereich in Abb. 2a aufgezeichnet wurden, nachdem eine Fläche von 2 . geschrieben wurde × 2 μm ² mit + 8 V und dann die zentrale 1,25 × 1,25 μm ² Quadrat mit − 8 V unter Verwendung einer vorgespannten leitfähigen Spitze. Ein kleinerer (größerer) Strom wird über der zentralen (äußeren) Domäne mit einer ferroelektrischen Polarisation beobachtet, die vom (zum) Halbleitersubstrat wegzeigt, wenn das BTO mit – 8 V (+ 8 V) gepolt ist. Dies wurde als wesentlicher Beweis verwendet, um den polarisationsabhängigen Widerstandsschalteffekt in ferroelektrischen Heteroübergängen zu demonstrieren [4]. Darüber hinaus ist ersichtlich, dass die Leitung sowohl im HRS als auch im LRS ziemlich gleichmäßig ist, so dass keine leitfähigen Filamente gebildet werden. Nach dem SKPM-Prinzip misst es zweidimensionale Verteilungen der Kontaktpotentialdifferenz zwischen Spitze und Probe mit einer Auflösung im Nanometerbereich. Die Kontaktpotentialdifferenz kann in die Austrittsarbeit der Probe umgewandelt werden, wenn die Messung im Thermogleichgewichtszustand durchgeführt wird, und es ist das elektrische Potential, wenn eine Vorspannung an die Probe angelegt wird. Somit würde eine positive (negative) Spitzenvorspannung die negativen (positiven) Ionen und/oder Polarisationsladungen an die Oberfläche ziehen, wodurch das Oberflächenpotential niedriger (höher) wird [12]. Diese Vorhersage stimmt mit unseren Beobachtungen in Abb. 2f überein und bestätigt die Variationen der Polarisationsladungen als Haupteffekte. Somit kann das Widerstandsschalten in BTO/NSTO-Heteroübergängen durch ferroelektrische Polarisationsumkehr verstanden werden, die auch in unseren früheren Berichten diskutiert wurde [13]. Die Betriebsgeschwindigkeit sowohl für SET als auch für RESET sollte jedoch bei einer rein ferroelektrischen Polarisationsumkehr [2] in der gleichen Größenordnung von 10 ns liegen, was unseren Beobachtungen einer Differenz vierter Ordnung zwischen der SET- und RESET-Geschwindigkeit entgegengesetzt ist, wie in Abb. 1g, h. Dann kommt eine Frage, wie man die Betriebsgeschwindigkeitsdifferenz von SET und RESET versteht?

a Oberflächenmorphologie der BTO-Filme auf NSTO-Substraten. b Lokale PFM-Out-of-Plane-Hystereseschleifen:blau, Phasensignal; schwarz, Amplitudensignal. c PFM-Phase außerhalb der Ebene, d PFM-Amplitude außerhalb der Ebene, e aktuell und f SKPM-Bilder, die über denselben Bereich aufgenommen wurden (a ) nach dem Schreiben einer Fläche von 2 × 2 μm ² mit − 8 V und dann die zentrale 1,25 × 1,25 μm ² Quadrat mit + 8 V unter Verwendung einer vorgespannten leitfähigen Spitze. Der Maßstabsbalken beträgt 500 nm für die Bilder von a und c –f . Die Labels in c –e entsprechen dem Wert des Stroms außerhalb der Ebene, der PFM-Phase bzw. der PFM-Amplitude

Die scheinbare Asymmetrie der Schaltzeit wurde auch bei Al/W:AlO_x . beobachtet /WO_y /W [14], La_2/3 Sr_1/3 MnO₃ /Pb(Zr_0,2 Ti_0.8 )O₃ /La_2/3 Sr_1/3 MnO₃ [15] und Pt/LaAlO₃ /SrTiO₃ [16] Geräte. Wuet al. schlugen eine asymmetrische Redoxreaktion in W:AlO_x . vor /WO_y Doppelschicht-Bauelementen und führte die Schaltzeitdifferenz der unterschiedlichen freien Gibbs-Energie in AlO_x . zu und WO_y Schichten [14]. Jedoch kann beim gegenwärtigen BTO/NSTO-Heteroübergang die Spannung nur an den BTO-Film angelegt werden, da NSTO ein stark dotierter Halbleiter ist. Somit kann die asymmetrische Redoxreaktion in der vorliegenden Arbeit ausgeschlossen werden. Qinet al. und Wuet al. führen die Asymmetrie der Schaltzeit auf das unterschiedliche interne elektrische Feld zurück, das die Migration von Sauerstoffleerstellen durch das LSMO/Pb(Zr_0,2 Ti_0.8 )O₃ und LaAlO₃ /SrTiO₃ Schnittstellen [15, 16]. Gemäß diesem Modell der Sauerstoffleerstellen über die Grenzfläche wandert die Sauerstoffleerstelle von BTO zu NSTO unter einer positiven Vorspannung, und der Widerstand in BTO wird aufgrund der Abnahme der Sauerstoffleerstellenkonzentration in BTO steigen, während sich der Widerstand in NSTO nicht ändert sehr, da es bereits eine hohe Konzentration an Nb-Donatoren aufweist; daher erhöht sich der Widerstand des gesamten Systems bei positiver Vorspannung, was unserer Beobachtung in Abb. 1 entgegengesetzt ist. Außerdem soll der ionische Prozess viel langsamer sein als der Elektronenprozess, sodass ein reiner Ionenprozess die nicht erklären kann schneller SET-Prozess von 10 ns, wie in Abb. 2g gezeigt. Daher ist es schwierig, die asymmetrische Widerstandsschaltgeschwindigkeit zu verstehen, wenn man nur den physikalischen Prozess der Polarisationsumkehr oder den chemischen Prozess von driftenden Sauerstoffleerstellen betrachtet. Tatsächlich wurde auch bei Au/NSTO- [17] und ZnO/NSTO-Schottky-Übergängen [18] eine asymmetrische Schaltgeschwindigkeit beobachtet. Eine asymmetrische Schottky-Barriere kann auch zu einer asymmetrischen ohmschen Schaltgeschwindigkeit führen. Basierend auf den PFM- und SKPM-Ergebnissen wird jedoch beobachtet, dass das ohmsche Schalten im BTO/NSTO-Heteroübergang in der vorliegenden Arbeit durch den ferroelektrischen Feldeffekt verursacht wird. Daher schlagen wir ein Modell der ferroelektrischen Polarisationsumkehr gekoppelt mit der Migration von Sauerstoffleerstellen über die BTO/NSTO-Grenzfläche vor, um dieses asymmetrische Verhalten zu verstehen.

Abbildung 3 zeigt schematische Zeichnungen (Fig. 3a, b) und entsprechende potentielle Energieprofile (Fig. 3c, d) der Au/BTO/NSTO-Strukturen für die nieder- und hochohmigen Zustände. In BTO bezeichnen die roten Pfeile die Polarisationsrichtungen und die „Plus“- und „Minus“-Symbole repräsentieren positive bzw. negative ferroelektrische gebundene Ladungen. Die „umkreisten Plus“-Symbole stehen für die ionisierten Sauerstoff-Leerstellen. Die blauen Pfeile zeigen die Richtung der Sauerstoffleerstellen, die über die BTO/NSTO-Schnittstelle driften. Zur Vereinfachung nehmen wir an, dass die ferroelektrischen gebundenen Ladungen an der Au/BTO-Grenzfläche perfekt abgeschirmt werden können. Daher ist die Barrierenhöhe an der Au/BTO-Grenzfläche fest und ändert sich nicht mit der Polarisationsumkehr. Die Barrierenhöhe an der BTO/NSTO-Grenzfläche wird kleiner (größer), wobei die Polarisation auf die untere (obere) Elektrodengrenzfläche zeigt, was zu einem niederohmigen (hohen) Widerstandszustand unter einer positiven (negativen) Vorspannung führt. Für die obere Elektrodengrenzfläche von Au/BTO können sowohl die positiven als auch die negativen ferroelektrischen gebundenen Ladungen sowohl bei positiver als auch bei negativer Vorspannung perfekt durch Elektronen bzw. Löcher abgeschirmt werden. Somit können die Rastergeschwindigkeiten immer Hunderte von Pikosekunden betragen [19]; sowohl die SET- als auch die RESET-Geschwindigkeit sollten auf der gleichen Zeitskala liegen, so dass die obere Elektrodengrenzfläche von Au/BTO die asymmetrische Widerstandsschaltgeschwindigkeit nicht berücksichtigen kann. Für die untere Elektrodengrenzfläche von BTO/NSTO können jedoch die positiven und ferroelektrischen gebundenen Ladungen durch Elektronen- bzw. Sauerstoffleerstellen bei positiver und negativer Vorspannung abgeschirmt werden. Tatsächlich können die Sauerstoffleerstellen über die BTO/NSTO-Grenzfläche wandern, von BTO zu NSTO (von NSTO zu BTO) für Polarisationspunkte in Richtung (weg von) NSTO unter einer an der oberen Elektrode angelegten positiven (negativen) Vorspannung. Wenn die ferroelektrische Polarisation von der oberen zur unteren Elektrode gerichtet ist, werden Elektronen benötigt, um die positiven ferroelektrischen gebundenen Ladungen an der unteren Elektrodengrenzfläche abzuschirmen; somit beeinflusst nur die Bewegungsgeschwindigkeit der Elektronen die SET-Geschwindigkeit beim Widerstandsschaltprozess. Wenn die ferroelektrische Polarisation von der unteren zur oberen Elektrode gerichtet ist, werden Sauerstoffleerstellen benötigt, um die negativen ferroelektrischen gebundenen Ladungen an der unteren Elektrodengrenzfläche abzuschirmen; somit wird die Bewegungsgeschwindigkeit von Sauerstoffleerstellen die RESET-Geschwindigkeit beim Widerstandsschaltprozess einschränken. Da die Wanderung von Sauerstoffleerstellen viel länger dauert als die von Elektronen, ist die durch Elektronen begrenzte SET-Geschwindigkeit viel schneller als die durch Sauerstoffleerstellen begrenzte RESET-Geschwindigkeit, was mit unserer Beobachtung übereinstimmt. Darüber hinaus wurde der Übergang zwischen elektronischem Screening und Sauerstoff-Leerstellen-Screening auch im BiFeO₃ . beobachtet /La_0.7 Sr_0,3 MnO₃ Schnittstelle [20], was den vorgeschlagenen Mechanismus für das asymmetrische ohmsche Schalten in der vorliegenden Arbeit weiter bestätigt.

Die schematischen Zeichnungen (a , b ) und entsprechende potenzielle Energieprofile (c , d ) der Au/BTO/NSTO-Strukturen für die nieder- und hochohmigen Zustände. In BTO bezeichnen die roten Pfeile die Polarisationsrichtungen und die „Plus“- und „Minus“-Symbole repräsentieren positive bzw. negative ferroelektrische gebundene Ladungen. Die „umkreisten Plus“-Symbole stehen für die ionisierten Sauerstoff-Leerstellen. Die blauen Pfeile zeigen die Richtung der Sauerstoffleerstellen, die über die BTO/NSTO-Schnittstelle driften

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wird in BTO/NSTO-Heteroübergängen eine asymmetrische Widerstandsschaltzeit beobachtet. Die erforderliche Impulsdauer für den RESET-Vorgang ist vier Ordnungen länger als die für den SET-Vorgang. Die positiven und negativen ferroelektrischen gebundenen Ladungen, die durch Elektronen und Sauerstoffleerstellen an der BTO/NSTO-Grenzfläche abgeschirmt werden, spielen bei positiver bzw. negativer Vorspannung eine wichtige Rolle. Der Prozess des Elektronenscreenings ist viel schneller als der von Sauerstoffleerstellen, so dass der durch positive Vorspannung induzierte SET-Übergang (HRS zu LRS) viel schneller ist als der durch negative Vorspannung induzierte RESET-Übergang (LRS zu HRS). Darüber hinaus weist dieser Schalter einen schnellen SET- und einen langsamen RESET-Übergang auf, der in einigen speziellen Regionen potenzielle Anwendungen haben kann.

Abkürzungen

BTO:

BaTiO₃

HRS:

Hochohmiger Zustand

LRS:

Niederohmiger Zustand

NSTO:

Nb:SrTiO₃

PFM:

Piezoresponse-Kraft-Mikroskopie

SKPM:

Rastermikroskopie mit Kelvinsonde