铁电隧道结阵列的研制及其输运机理研究

应用PLD制备技术，结合微加工技术和界面调控技术，研制可实现多通道和多位数据同时存储和传输的铁电隧道结阵列；研究超薄铁电薄膜的厚度及其均匀性监控技术，探索超薄铁电薄膜的厚度及均匀性变化对隧道结电输运特性的影响规律；研究隧道结单元及阵列中薄膜的微结构与电学性能，探讨单元的几何参数、阵列单元的空间几何对称性及单元的连接方式对电输运性质的影响，建立微结构、隧道结单元耦合机制与隧道结存储功能的关联；应用第一性原理、修正的MWBK近似和单电子能带模型，结合电学及力学边界条件，分析电子与势垒层中晶格的电-声耦合作用，建立电输运机理的物理模型；研究隧道结中电子隧穿的物理过程，揭示隧道结电致电阻效应及电阻反转的物理机制，建立微观理论与隧道结宏观性能的关联。本项目的研究成果对于进一步认识铁电隧道结阵列的存储功能、开发新型铁电集成器件具有重要的科学意义。

本项目应用磁控溅射技术和PLD技术并结合表面微加工工艺，研制了铁电隧道结阵列。研究隧道结单元及阵列的微观结构和电学性能，从实验和理论上揭示了隧道结阵列的电输运特性及其遂穿机理。主要实验结果和创新性成果如下：.1、超薄铁电薄膜的制备工艺优化与微结构及电学性能表征.在SrTiO3、Nb：SrTiO3单晶基片以及Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备以PZT、BaTiO3、(Ba,Sr)TiO3为铁电层的铁电隧道结。表征了隧道结的微结构和电学性能，研究了制备工艺与微观结构的关联，建立了铁电层厚度与电阻反转特性的关系、总结出制备高质量铁电隧道结的最佳工艺条件。.2、铁电隧道结的电输运特性及其隧穿机理的实验研究.研究了厚度为20 nm 铁电隧道结电输运特性及其隧穿机理，实验发现：在三角波电压作用下，隧道结具有整流特性，该整流特性是由偏压作用下氧空位在Pt/BTO界面的聚集使得肖特基势垒高度和耗尽层宽度变化引起的。当施加正向电压时，由于氧空位被排斥，导致Schottky势垒变宽，薄膜呈现高阻态；当施加负向偏压时，氧空位被吸引到顶电极，降低了Schottky势垒高度，薄膜转变为低阻态，实现了电致电阻开关效应。这部分结果发表在Appl. Phys. Lett. 99, 182106 (2012)上。.3、铁电隧道结的电输运特性及其电导机理的理论研究.（1）利用短路边界条件，结合Thomas-Fermi模型、传输矩阵方法以及Landauer电导公式探讨了隧道结结构与隧穿电阻效应的关联，考虑到介电/铁电复合势垒厚度分布对隧道结结构对称性的影响，固定复合势垒层总厚度而改变介电层厚度，得到了使TER取最大值时的最佳介电厚度。这部分成果发表在J. Appl. Phys., 111, 074311 (2012)上。.（2）提出了一种具有量子阱结构的新型铁电隧道结，并结合逆压电效应和退极化场研究了铁电隧道结的偏压特性。对于单量子阱，在大的极化强度范围内隧穿电阻效应优于传统的复合铁电隧道结；对于多量子阱在极化强度极弱的情况下也可以观察到明显的电阻反转现象。这部分成果发表在Appl. Phys. Lett., 101, 022906 (2012)上。.这些研究成果将有助于进一步认识铁电隧道结阵列的存储功能，对于开发新型铁电集成器件和发展铁电理论具有重要的科学意义。