金属/铁电体/半导体铁电隧道忆阻器的制备与性能研究

Most recently, memristors have attracted much attention due to the continuously tunable nonvolatile resistive state, which emulates biological synapses of brains. These make the memristor a promising candidate for future neuromorphic computational architectures.In this project, we propose a novel memristor scheme based on metal/ferroelectric/semiconductor tunneling heterostructures inspired by the ferroelectric field effect memories.The memristive properites can be realized in the proposed scheme by the bistably spontaneous polarization reversal, which give rise to the electrical modulation of barrier height and width simultaneously due to the ferroelectric field effect.Laser-MBE is employed in the present project to grow high quality ferroelectric/Nb:SrTiO3 epitaxial heterostructures. Memristive properties of the proposed ferroelectric tunneling structures are investigated by carefully controlling the applied pulse wave, which manipulates the switching behavior of polarization and hence modulates the barrier profile continuously. The origins of memristive behaviors are explored in terms of the ferroelectric field effect. The effect of microstructure parameters on the tunable capability and retention of resistive states are evaluated. These provide strongly experimental basis for application of the proposed ferroelectric tunnel memristors in neuromorphic microelectronic devices.

忆阻器具有电阻连续可调性和非易失性，能够对生物大脑神经突触的记忆、学习功能进行模拟，在神经态计算结构中具有潜在应用，因而受到研究人员的广泛关注。本项目拟借鉴铁电场效应存储器件的工作机制，以半导体为电极，提出基于金属/铁电体/半导体结构的铁电隧道忆阻器方案。利用自发极化双稳态和铁电场效应来同时调制结势垒的高度和宽度，在铁电隧穿结构中实现忆阻特性。本项目将采用激光分子束外延技术制备高质量铁电体/Nb:SrTiO3外延异质结构，通过控制输入的电脉冲波形来精确控制极化翻转行为，连续调制结势垒，对提出的铁电隧道忆阻结构进行研究，探索其忆阻特性来源，澄清铁电场效应在结势垒调制中的作用机制。考察若干微结构参数对该隧穿结构电阻连续可调性和阻态保持性的影响，为铁电隧道忆阻结构在神经态微电子器件上的应用打下基础。

项目执行期间，围绕钙钛矿氧化物薄膜的外延生长与性能表征，我们主要开展了如下研究工作。通过优化脉冲激光沉积工艺参数，在n型Nb:SrTiO3单晶基片上，制备了室温下具有优良铁电特性的高质量超薄BaTiO3外延膜。以Pt作为顶电极，形成了Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3金属／铁电体／半导体隧穿忆阻原型器件。对该结构的电输运特性进行了系统表征，发现半导体电极表面的空间电荷层可以被铁电势垒的极化翻转连续调制，从而获得了高、低阻态开关比大于10^4，结电阻连续变化范围大于两个数量级的忆阻特性。利用压电力显微镜表征了Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3隧穿忆阻结构多种阻态下BaTiO3势垒的铁电畴结构，结合铁电场效应，澄清了该结构中观测到的忆阻特性的物理机制。进一步的，注意到忆阻特性依赖于BaTiO3势垒中的量子隧穿效应以及铁电极化翻转对该效应的调控。通过测试不同温度下的电流-电压关系，揭示了以缺陷态为媒介的声子辅助隧穿对隧道结电致电阻特性的重要影响。利用薄膜／基片晶格失配，研究了不同应变条件下BaTiO3超薄膜中力荷载翻转铁电极化的挠曲电行为。这些研究进展不仅表明了金属／铁电体／半导体隧穿结构在忆阻器上巨大的应用潜力，还在器件结构，电输运特性和铁电极化翻转行为等方面，为该结构的实际应用打下了理论和材料体系的研究基础。. 当前已发表SCI论文6篇，其中3篇发表在《Applied Physics Letters》上，正在申请国家专利两项。完成了本课题的研究任务。