Photoresistance and electroresistance in ferroelectric tunnel junctions based on BaTiO3 and Hf0.5Zr0.5O2

Resumen

El desarrollo de la tecnología de la información se acerca a un cuello de botella crucial debido a la limitación de la arquitectura de Von-Neumann para el almacenamiento de datos y las funciones lógicas. Mientras tanto, hoy en día las memorias flash DRAM y NAND han mostrado inconvenientes como la baja retención de la información, tiempos de conmutación lentos y problemas de robustez. Otras memorias no volátiles (NVMs) emergentes se han convertido en candidatas para la próxima era de computación neuromórfica. Un tipo de NVM es la unión túnel ferroeléctrica (FTJ), que tiene una estructura de condensador simple, que consiste en una capa ferroeléctrica ultradelgada, que permite el transporte por efecto túnel, intercalada entre dos electrodos metálicos. La conmutación de la polarización ferroeléctrica entre dos direcciones (PDOWN y PUP) modula las propiedades de barrera en la intercara con los electrodos, lo que consecuentemente causa cambios de conductancia, es decir, da lugar a electrorresistencia (ER). A diferencia de otros tipos de memorias ferroeléctricas, la lectura del estado de memoria en las FTJ no perturba su estado de polarización (estado de memoria). Las FTJs muestran buena retención durante mucho tiempo (> 10 años) y mayor robustez después ciclos de lectura/escritura (> 106 veces). Los óxidos basados en HfO2 dopado muestran ferroelectricidad en forma de lámina ultradelgada (<20 nm). En forma policristalina se pueden utilizar para fabricar NVMs, debido a su alta compatibilidad con la tecnologia CMOS. En el presente trabajo, capas delgadas de HfO2 dopadas con Zr (Hf0.5Zr0.5O3, HZO) se crecieron epitaxialmente mediante la técnica de deposición por láser pulsado y se usaron para construir FTJ. A pesar de la naturaleza epitaxial de las capas obtenidas, las capas contienen fronteras de grano entre las fases ferroeléctrica (ortorrómbica) y no ferroeléctrica (monoclínica) del material. De ello se deduce que, puede ocurre la inversión de polarización en los granos ferroeléctricos, pero también se pueden crear canales conductores a lo largo de las fronteras de los granos. Si bien anteriormente se había propuesto que el uso de una capa protectora adecuada es útil para mitigar la contribución de la conducción eléctrica en las fronteras de grano, denominados canales de movimiento iónico, en capas relativamente gruesas (> 5 nm), quedaba por ver si la misma estrategia podría ser operativo en barreras HZO más delgadas. Este ha sido el primer objetivo de esta tesis doctoral. Un segundo objetivo, íntimamente ligado al anterior, es que la aplicación de alto voltaje en FTJs causa una reducción de su resistencia (suave ruptura) que afecta su ER y por ende a su potencial uso como memoria ferroeléctrica. Por lo tanto, entender las propiedades de unión después de la ruptura es de alta relevancia y ha centrado parte de la investigación realizada durante el desarrollo de la presente tesis. En los enfoques descritos anteriormente, el estado de la memoria ferroeléctrica se establece mediante un campo eléctrico (voltaje) que selecciona la dirección de polarización y, por lo tanto, el estado de resistencia (alto/bajo, HRS/LRS). Sin embargo, investigar esquemas de escritura alternativos es de potencial interés. La escritura óptica es una de las opciones posibles. Desafortunadamente, para los dispositivos que funcionan en el rango de luz visible, HZO no es apropiado debido a que su ancho de banda es excesivamente grande. Por el contrario, capas de BaTiO3 comúnmente muestran fotoabsorción en el rango del visible y, por lo tanto, son candidatas potenciales para este modo de operación. Se fabricaron FTJ BTO de 4 nm de espesor, los campos eléctricos internos rompen la degeneración entre PUP y PDOWN a favor de uno de los estados. En nuestro caso, se encontró que se favorecía a PDOWN.