Быстрый SET и медленный RESET: асимметричное резистивное переключение в эпитаксиальных гетеропереходах BaTiO₃/Nb:SrTiO₃

Аннотация

Сообщается об асимметричном резистивном переключении в эпитаксиальных гетеропереходах BaTiO₃/Nb:SrTiO₃. Переход SET (высокое-в-низкое сопротивление) завершается за ~10 нс под +8 В, тогда как переход RESET (низкое-в-высокое сопротивление) требует ~10⁵ нс под –8 В. Разница исходит от различных механизмов экранирования на границе BaTiO₃/Nb:SrTiO₃: электроны быстро компенсируют положительный связанный заряд при SET, в то время как кислородные вакансии — медленно мигрирующие — экранируют отрицательный связанный заряд при RESET. Такое поведение быстрого SET/медленного RESET открывает возможности для устройств, получающих выгоду от быстрой записи и долговечного стирания.

Введение

Ферроэлектрическое резистивное переключение — управляемое исключительно полярностью поляризации — привлекает интенсивный интерес благодаря своей внутренней скорости и обратимости. Оно демонстрировалось в различных ферроэлектрических/полупроводниковых гетеропереходах, таких как BaTiO₃/Nb:SrTiO₃ и MoS₂/BaTiO₃/SrRuO₃, где высота и ширина барьера модулируются ферроэлектрическим полевым эффектом. Известны явления: усиленное туннельное электросопротивление, биполярное резистивное переключение в сочетании с отрицательным дифференциальным сопротивлением, оптически или электрически управляемое электросопротивление. Несмотря на эти достижения, динамика переключения в гетеропереходах BaTiO₃/Nb:SrTiO₃ не изучалась. Здесь мы сообщаем об асимметричном резистивном переключении: ~10 нс SET под +8 В против ~10⁵ нс RESET под –8 В. Мы приписываем это поведение взаимодействию экранирования ферроэлектрической поляризации электронами и кислородными вакансиями на границе.

Методы

Коммерческие (100) подложки 0,7 масс.% NSTO последовательно очищали в этаноле, ацетоне и деионизированной воде, затем сушили воздухом. Пленки BaTiO₃ (BTO) (~100 нм) осаждали импульсной лазерной депозицией (KrF эксимер, 248 нм, 25 нс, 300 мДж, 5 Гц) при 700 °C под 1 Па O₂ в течение 15 мин, затем 10 мин при 1 Па O₂ и контролируемое охлаждение до комнатной температуры 10 °C/мин в вакууме. Верхние электроды Au (0,04 мм²) наносили спуттерированием через шадоевую маску; нижний электрод — индий, припрессованный к подложке NSTO. Транспортные измерения использовали Keithley 2400, в то время как импульсы напряжения (10 нс–1 с) генерировал Agilent 33250A. Поверхностная морфология, ферроэлектричество и электростатический потенциал характеризовали атомно-силовым микроскопией (AFM), пьезореспонсным силовым микроскопией (PFM) и сканирующим Кельвиновым зондовым микроскопией (SKPM) на приборе Oxford AR. PFM фаза, амплитуда, ток и SKPM изображения получали на площади 2 × 2 мкм² после записи +8 В и –8 В под смещенным проводящим зондом 0,5 В. Все измерения проводились при комнатной температуре.

Результаты и обсуждение

Рис. 1 иллюстрирует вольт-амперные характеристики (I-V) стека Au/BTO/NSTO/In при малом смещении (–0,5 до 0,5 В) после импульсов различной амплитуды и ширины. Положительные импульсы переводят устройство в состояние низкого сопротивления (LRS; ~3 × 10⁴ Ом), отрицательные — возвращают в состояние высокого сопротивления (HRS; ~3 × 10⁶ Ом), давая отношение OFF/ON 100. Переход постепенный, позволяя многоуровневую настройку сопротивления. Времени-разрешенные измерения показывают, что переход SET насыщается при импульсах 10 нс выше 4 В, тогда как переход RESET требует миллисекундных импульсов для полного восстановления HRS. Эта четырехпорядковая асимметрия подчеркивает различные базовые механизмы.

Рис. 2 подтверждает ферроэлектрическую природу пленок BTO: AFM показывает атомно-гладкую поверхность, а PFM гистерезисные петли демонстрируют коэрцитивные напряжения ±3,1 В. PFM и SKPM визуализация после записи доменов показывает, что локальный ток выше, когда поляризация направлена к подложке Nb:SrTiO₃ (положительное смещение) и ниже, когда направлена от нее (отрицательное смещение). Нитяпроводимость не наблюдается, указывая на чисто полевой механизм. Наблюдаемые скорости переключения не могут быть объяснены чистым переворотом поляризации (который был бы ~10 нс для SET и RESET) ни дрифтом кислородных вакансий в одиночку, предполагая комбинированный электрон-вакансный процесс экранирования.

Мы предлагаем, что во время SET (положительное смещение) электроны быстро экранируют положительный связанный заряд на границе BTO/NSTO, снижая Шотткиевский барьер и обеспечивая быстрый переход. Во время RESET (отрицательное смещение) кислородные вакансии должны мигрировать для экранирования отрицательного связанного заряда; их более низкая подвижность навязывает более длинную временную шкалу. Эта модель объясняет наблюдаемую асимметрию и согласуется с предыдущими наблюдениями электрон-вакансного интерфейсного экранирования в смежных гетероструктурах.

Заключение

Асимметричное резистивное переключение продемонстрировано в гетеропереходах BaTiO₃/Nb:SrTiO₃, с SET за ~10 нс и RESET за ~10⁵ нс. Различие исходит от электронно-опосредованного экранирования при SET и вакансионно-опосредованного экранирования при RESET на границе BTO/NSTO. Такое поведение быстрой записи/медленного стирания многообещающе для приложений, требующих быстрой программирования и долгосрочного удержания.

Аббревиатуры

BTO:

BaTiO₃

HRS:

Высокоомное состояние

LRS:

Низкоомное состояние

NSTO:

Nb:SrTiO₃

PFM:

Пьезореспонсная силовая микроскопия

SKPM:

Сканирующая Кельвинова зондовая микроскопия