Эффект сегнетоэлектрического поля, индуцированный асимметричным резистивным переключением, в эпитаксиальных гетеропереходах BaTiO3 / Nb:SrTiO3

Фон

Эффекты сегнетоэлектрического резистивного переключения привлекли множество исследовательских интересов, поскольку инверсия поляризации основана на чисто электронном механизме, который не вызывает химического изменения и является по сути быстрым явлением [1, 2]. Эффекты сегнетоэлектрического резистивного переключения наблюдались в сегнетоэлектрических гетеропереходах, зажатых между двумя металлическими или полупроводниковыми электродами [3,4,5]. В гетеропереходах сегнетоэлектрик / полупроводник было обнаружено множество интересных закономерностей. Например, в BaTiO ₃ наблюдается значительно повышенное туннельное электросопротивление. (BTO) / (001) Nb:SrTiO ₃ (NSTO) [4, 5] и MoS ₂ / BaTiO ₃ / SrRuO ₃ [6] гетеропереходы, поскольку высота и ширина барьера могут модулироваться за счет эффекта сегнетоэлектрического поля. В BaTiO ₃ обнаружено сосуществование биполярного резистивного переключения и отрицательного дифференциального сопротивления. / (111) Nb:SrTiO ₃ гетеропереходы [7]. Оптически контролируемое электросопротивление и электрически управляемое фотоэдс наблюдались в Sm _0.1 Би _0,9 FeO ₃ / (001) Nb:SrTiO ₃ гетеропереходы [8]. В BiFeO ₃ наблюдался сегнетоэлектрический изгиб полос, модулированный поляризацией. / (100) NbSrTiO ₃ гетероинтерфейс методами сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии [9]. Переход от эффекта выпрямления к эффекту биполярного резистивного переключения наблюдался в BaTiO ₃ / Гетеропереходы ZnO [10].

Здесь мы наблюдаем асимметричный эффект резистивного переключения в BaTiO ₃ / Nb:SrTiO ₃ Узел Шоттки, о котором пока не сообщалось. Кроме того, мы предлагаем эффект сегнетоэлектрического поля, чтобы понять этот асимметричный эффект резистивного переключения. В частности, переход SET из состояния с высоким сопротивлением в состояние с низким сопротивлением происходит за 10 нс при смещении +8 В, в то время как переход RESET из состояния с низким сопротивлением в состояние с высоким сопротивлением находится в диапазоне 10 ⁵ нс при - 8 В. Это можно понять по сегнетоэлектрической поляризационной экранировке электронами и кислородными вакансиями в BaTiO ₃ / Nb:SrTiO ₃ интерфейс. Этот переключатель с быстрым переходом SET и медленным RESET может иметь потенциальное применение в некоторых особых регионах.

Методы

Коммерческие (100) 0,7 мас.% Подложки NSTO последовательно очищали в течение 15 мин этанолом, ацетоном и деионизированной водой, а затем продували воздухом перед осаждением. Пленка BTO была выращена на подложках NSTO методом импульсного лазерного осаждения (PLD) с использованием эксимерного KrF-лазера (248 нм, длительность импульса 25 нс, COMPexPro201, Coherent) при энергии 300 мДж и частоте 5 Гц с базовым вакуумом 2 × 10 ⁻⁴ Па. Во время роста температура подложки поддерживалась на уровне 700 ° C, а расстояние мишень-подложка составляло 6,5 см. Парциальное давление кислорода составляло 1 Па, время роста - 15 мин. После выращивания образец выдерживали при парциальном давлении кислорода 1 Па в течение 10 мин, а затем температуру понижали до комнатной со скоростью 10 ° C / мин в условиях вакуума. Толщина тонких пленок BTO составляет около 100 нм. Верхние золотые электроды (0,04 мм ² ) напыляли на тонкие пленки BTO через теневую маску магнетронным распылением на постоянном токе, а нижним электродом служил индий (In), прижатый к подложке NSTO. Источник Keithley 2400 использовался для проведения транспортных измерений. Импульсы напряжения подавались генератором сигналов произвольной формы (Agilent 33250A) с длительностью импульса от 10 нс до 1 с. Результаты атомно-силовой микроскопии (АСМ), силовой микроскопии пьезоотклика (PFM) и сканирующей зондовой микроскопии Кельвина (SKPM) были проведены для характеристики морфологии, сегнетоэлектричества и электростатического потенциала поверхности пленки BTO с помощью прибора Oxford AR. Фаза PFM вне плоскости, амплитуда PFM, ток и изображения SKPM были записаны с помощью смещенного проводящего наконечника 0,5 В на той же площади после записи области 2 × 2 мкм ² с - 8 В и затем центральный 1,25 × 1,25 мкм ² квадрат с +8 В. Во всех измерениях нижние электроды были заземлены, и напряжение подавалось на верхние электроды или наконечник. Все измерения проводились при комнатной температуре.

Результаты и обсуждение

На рис. 1a – d показаны вольт-амперные кривые системы Au / BTO / NSTO / In, измеренные при малых смещениях от -0,5 до 0,5 В после подачи импульса с разными амплитудами и шириной, на которых рис. 1a, b измерены после импульсы длительностью 100 мс с различной амплитудой, а на рис. 1в, г измерены после импульсов с амплитудами + 8 и -8 В с различной длительностью соответственно. На рис. 1e – h показано сопротивление перехода, зарегистрированное при –0,3 В после приложения импульсов напряжения с разной амплитудой и шириной, начиная с высокоомного состояния (HRS) (рис. 1e, g) или низкоомного состояния (LRS) ( Рис. 1f, h), где длительность импульса на панелях e и f составляет 100 мс, а разные кривые на панелях e и f соответствуют различным последовательным измерениям с различными положительными или отрицательными максимальными напряжениями. На вставке к рис. 1а приведено схематическое изображение конструкции устройства. Резистивное переключение в Au / BTO / NSTO демонстрируется кривыми вольт-амперной характеристики при небольшом смещении и петлями сопротивления в зависимости от амплитуд записывающего импульса после того, как сначала был приложен относительно длинный 100-мс импульс с изменяющейся амплитудой от -8 до 8 В, как показано на рис. 1a, b, e, f. Очевидно, что положительные импульсы могут перевести устройство в состояние с низким сопротивлением, тогда как отрицательные импульсы переключат устройство обратно в состояние с высоким сопротивлением. Интересно, что оба переключения между состояниями ВКЛ и ВЫКЛ являются постепенными, что полезно для устройств переключения сопротивления с несколькими состояниями, независимо от того, начинается ли это с HRS или LRS. Эти постепенные переходы между HRS и LRS также наблюдались в BTO / La _0.67 Sr _0,33 MnO ₃ сегнетоэлектрический туннельный переход [2]. Цикл гистерезиса между низким - (3 × 10 ⁴ Ом) и высокие (3 × 10 ⁶ Ω) наблюдается состояние сопротивления с большим отношением ВЫКЛ / ВКЛ, равным 100, когда напряжение записи изменяется от +8 до -8 В (рис. 1e, f, черные кривые). Второстепенные контуры на рис. 1e, f показывают, что конечное состояние сопротивления может быть точно настроено между HRS и LRS в зависимости от протокола цикла. Точно так же на устройство подавался записывающий импульс с изменяющейся амплитудой от -8 до 8 В и шириной от 10 нс до 1 с, а затем были записаны ВАХ и сопротивление перехода в зависимости от ширины записывающего импульса, как показано на Рис. 1в, г, ж, з. Очевидно, переключение между HRS и LRS происходит только тогда, когда длительность положительного (отрицательного) импульса напряжения достаточно велика, а амплитуда достаточно велика. Для процессов SET и RESET длительность импульса уменьшается с увеличением абсолютной амплитуды импульсного напряжения. В частности, время переключения с HRS на LRS очень быстрое, при этом импульсов длительностью 10 нс выше 4 В достаточно для насыщения сопротивления перехода, как показано на рис. 1g. Напротив, полное переключение на HRS выполняется только относительно длинными импульсами сброса в миллисекундах, как показано на рис. 1h. Что касается применения мемристических устройств, рис. 1e – h также показывает, что многоуровневый режим работы может быть достигнут путем программирования амплитуды или длительности импульсного напряжения.

Вольт-амперные характеристики системы Au / BTO / NSTO / In при малых смещениях от -0,5 до 0,5 В после подачи импульса длительностью 100 мс с различными амплитудами ( a , b ). Вольт-амперные характеристики системы Au / BTO / NSTO / In при малых смещениях после подачи импульса с амплитудой +8 В ( c ) и - 8 В ( d ) с различной длительностью импульса. Сопротивление перехода системы Au / BTO / NSTO / In, зарегистрированное при -0,3 В после приложения импульсов напряжения с различной амплитудой и шириной, начиная с HRS ( e , г ) или LRS ( f , ч ), где ширина импульса в e и е равны 100 мс, а разные кривые в e и е соответствуют различным последовательным измерениям с различными положительными или отрицательными максимальными напряжениями. Вставка a показан схематический чертеж конструкции устройства

Из изображений топографии на рис. 2а видно, что поверхность пленки БТО атомарно плоская, что предотвращает короткие замыкания между верхним и нижним электродами [11]. Внеплоскостные петли гистерезиса в силовой микроскопии пьезоотклика (PFM), показанные на рис. 2b, указывают на сегнетоэлектрическую природу пленок BTO. Местные коэрцитивные напряжения составляют около + 3,1 и - 3,1 В, обозначенные минимумами амплитудной петли, как показано на рис. 2b. На рис. 2c – f показаны фаза PFM вне плоскости, амплитуда PFM вне плоскости, ток и изображения SKPM сегнетоэлектрических доменов, записанные на поверхности BTO, записанные на той же области на рис. 2a после записи области 2 × 2 мкм ² + 8 В, а затем центральный 1,25 × 1,25 мкм ² квадрат с - 8 В с помощью смещенного токопроводящего наконечника. Меньший (больший) ток наблюдается над центральным (внешним) доменом с сегнетоэлектрической поляризацией, направленной от (к) полупроводниковой подложке, когда BTO имеет полярность -8 В (+ 8 В). Это было использовано в качестве важного доказательства для демонстрации поляризационно-зависимого резистивного переключения в сегнетоэлектрических гетеропереходах [4]. Кроме того, видно, что проводимость как в HRS, так и в LRS достаточно однородна, поэтому токопроводящие нити не образуются. Согласно принципу SKPM, он измеряет двумерное распределение контактной разности потенциалов между зондом и образцом с разрешением в нанометровом диапазоне. Контактная разность потенциалов может быть преобразована в работу выхода образца, если измерение выполняется в терморавновесном состоянии, и это электрический потенциал при приложении к образцу смещения. Таким образом, положительное (отрицательное) смещение наконечника могло бы притягивать отрицательные (положительные) ионы и / или поляризационные заряды к поверхности, делая поверхностный потенциал более низким (более высоким) [12]. Это предсказание согласуется с нашими наблюдениями на рис. 2е, подтверждая, что вариации поляризационных зарядов являются основным эффектом. Таким образом, переключение сопротивления в гетеропереходах BTO / NSTO можно понять по сегнетоэлектрической инверсии поляризации, что также обсуждалось в наших предыдущих отчетах [13]. Однако скорость работы как для SET, так и для RESET должна быть одного порядка 10 нс для чисто сегнетоэлектрической инверсии поляризации [2], что противоположно нашим наблюдениям за разницей в четыре порядка между скоростью SET и RESET, как показано на рис. 1г, выс. Тогда возникает вопрос, как понять разницу в скорости работы SET и RESET?

а Морфология поверхности пленок BTO на подложках NSTO. б Локальные петли гистерезиса ЧИМ вне плоскости:синий, фазовый сигнал; черный, амплитудный сигнал. c Фаза ЧИМ вне плоскости, d Амплитуда ЧИМ вне плоскости, e текущий и f Изображения SKPM, записанные в одной и той же области ( a ) после записи области 2 × 2 мкм ² с - 8 В и затем центральный 1,25 × 1,25 мкм ² квадрат с + 8 В с помощью смещенного токопроводящего наконечника. Масштабная линейка составляет 500 нм для изображений a и c - е . Ярлыки в c - е соответствуют значению тока вне плоскости, фазе ЧИМ и амплитуде ЧИМ соответственно

Очевидная асимметрия времени переключения наблюдалась также в Al / W:AlO _x / WO _y / W [14], Ла _2/3 SR _1/3 MnO ₃ /Pb(Zr_0.2 Ti _0,8 ) O ₃ / La _2/3 SR _1/3 MnO ₃ [15], и Pt / LaAlO ₃ / SrTiO ₃ [16] устройств. Wu et al. предложил асимметричную окислительно-восстановительную реакцию в W:AlO _x / WO _y двухслойные устройства и объяснили разницу во времени переключения разной свободной энергией Гиббса в AlO _x и WO _y слои [14]. Однако в существующем гетеропереходе BTO / NSTO напряжение может быть приложено только к пленке BTO, поскольку NSTO является сильно легированным полупроводником. Таким образом, в настоящей работе можно исключить асимметричную окислительно-восстановительную реакцию. Qin et al. и Wu et al. связывают асимметрию во времени переключения с различным внутренним электрическим полем, которое вызывает миграцию кислородных вакансий через LSMO / Pb (Zr _0,2 Ti _0,8 ) O ₃ и LaAlO ₃ / SrTiO ₃ интерфейсы [15, 16]. Согласно этой модели кислородных вакансий на границе раздела, кислородная вакансия будет мигрировать из BTO в NSTO при положительном смещении, и сопротивление в BTO будет увеличиваться из-за уменьшения концентрации кислородных вакансий в BTO, в то время как сопротивление в NSTO не изменится. много, так как в нем уже есть высокая концентрация доноров Nb; таким образом, сопротивление всей системы будет увеличиваться при положительном смещении, что противоположно нашему наблюдению на рис. 1. Кроме того, предполагается, что ионный процесс будет намного медленнее, чем электронный процесс, поэтому чистый ионный процесс не может объяснить быстрый процесс SET за 10 нс, как показано на рис. 2g. Следовательно, трудно понять скорость асимметричного резистивного переключения, рассматривая только физический процесс инверсии поляризации или химический процесс дрейфующих кислородных вакансий. Фактически, асимметричная скорость переключения также наблюдалась в переходах Шоттки Au / NSTO [17] и ZnO / NSTO [18]. Асимметричный барьер Шоттки также может привести к асимметричной резистивной скорости переключения. Однако, основываясь на результатах PFM и SKPM, резистивное переключение в гетеропереходе BTO / NSTO в настоящей работе вызвано эффектом сегнетоэлектрического поля. Поэтому мы предлагаем модель инверсии поляризации сегнетоэлектрика, сочетающуюся с миграцией кислородной вакансии через интерфейс BTO / NSTO, чтобы понять это асимметричное поведение.

На рис. 3 показаны схематические рисунки (рис. 3a, b) и соответствующие профили потенциальной энергии (рис. 3c, d) структур Au / BTO / NSTO для низкоомного и высокоомного состояний. В BTO красные стрелки обозначают направления поляризации, а символы «плюс» и «минус» представляют собой положительные и отрицательные связанные заряды сегнетоэлектрика соответственно. Символы «плюс» в кружке обозначают вакансии ионизированного кислорода. Синие стрелки показывают направление кислородных вакансий, дрейфующих через границу BTO / NSTO. Для упрощения мы предполагаем, что сегнетоэлектрические связанные заряды на границе Au / BTO могут быть полностью экранированы. Таким образом, высота барьера на границе Au / BTO фиксирована и не изменяется при смене поляризации. Высота барьера на границе BTO / NSTO станет меньше (больше) с поляризацией, направленной к границе нижнего (верхнего) электрода, что приведет к состоянию низкого (высокого) сопротивления при положительном (отрицательном) смещении. Для верхней границы раздела электродов Au / BTO как положительные, так и отрицательные связанные сегнетоэлектрические заряды могут быть полностью экранированы электронами и дырками соответственно как при положительном, так и при отрицательном смещении. Таким образом, скорость экранирования всегда может достигать сотен пикосекунд [19]; обе скорости SET и RESET должны быть в одной шкале времени, поэтому интерфейс верхнего электрода Au / BTO не может учитывать асимметричную резистивную скорость переключения. Однако для интерфейса нижнего электрода BTO / NSTO положительные и связанные сегнетоэлектрические заряды могут быть экранированы электронами и кислородными вакансиями, соответственно, при положительном и отрицательном смещении. Фактически, кислородные вакансии могут мигрировать через интерфейс BTO / NSTO, от BTO к NSTO (от NSTO к BTO) для точек поляризации в направлении (от) NSTO под положительным (отрицательным) смещением, приложенным к верхнему электроду. Когда сегнетоэлектрическая поляризация направлена ​​от верхнего электрода к нижнему, электроны необходимы для экранирования положительных связанных зарядов сегнетоэлектрика на границе раздела нижнего электрода; таким образом, только скорость движения электронов будет влиять на скорость SET в процессе резистивного переключения. Когда сегнетоэлектрическая поляризация направлена ​​от нижнего электрода к верхнему, кислородные вакансии необходимы для экранирования отрицательных связанных зарядов сегнетоэлектрика на границе раздела нижнего электрода; таким образом, скорость движения кислородных вакансий будет ограничивать скорость RESET в процессе резистивного переключения. Поскольку миграция кислородных вакансий занимает намного больше времени, чем миграция электронов, скорость SET, ограниченная электронами, будет намного выше, чем скорость RESET, ограниченная кислородными вакансиями, что согласуется с нашими наблюдениями. Кроме того, переход от электронного экранирования к экранированию кислородных вакансий также наблюдался в BiFeO ₃ /La_0.7 Sr _0,3 MnO ₃ интерфейс [20], что дополнительно подтверждает предложенный в настоящей работе механизм асимметричной резистивной коммутации.

Схематические рисунки ( а , b ) и соответствующие профили потенциальной энергии ( c , d ) структур Au / BTO / NSTO для низкоомного и высокоомного состояний. В BTO красные стрелки обозначают направления поляризации, а символы «плюс» и «минус» представляют соответственно положительные и отрицательные связанные заряды сегнетоэлектрика. Символы «плюс» в кружке обозначают вакансии ионизированного кислорода. Синие стрелки показывают направление кислородных вакансий, дрейфующих через интерфейс BTO / NSTO

Выводы

Таким образом, в гетеропереходах BTO / NSTO наблюдается асимметричное время резистивного переключения. Длительность импульса, необходимая для операции RESET, на четыре порядка больше, чем для процесса SET. Положительные и отрицательные связанные заряды сегнетоэлектрика, экранированные электронами и кислородными вакансиями на границе BTO / NSTO, играют важную роль при положительном и отрицательном смещении соответственно. Процесс электронного экранирования намного быстрее, чем кислородных вакансий, поэтому переход SET (HRS в LRS), вызванный положительным смещением, намного быстрее, чем переход RESET (LRS к HRS), вызванный отрицательным смещением. Кроме того, этот переключатель обеспечивает быстрый переход SET и медленный сброс RESET, что может иметь потенциальное применение в некоторых особых регионах.

Сокращения

BTO:

BaTiO ₃

HRS:

Состояние высокого сопротивления

LRS:

Состояние низкого сопротивления

NSTO:

Nb:SrTiO ₃

PFM:

Силовая микроскопия пьезоотклика

SKPM:

Сканирующая зондовая микроскопия Кельвина