杨睿/张林兴/方跃文等团队Nat Commun：原子尺度铁电隧道结中的巨隧穿电阻

近日，上海交通大学密西根学院杨睿教授课题组、北京科技大学张林兴教授课题组以及西班牙巴斯克大学方跃文教授课题组合作，在超薄铁电隧道结方面取得新突破。他们利用钐掺杂的氧化铋在1纳米厚薄膜中实现较强且稳定的铁电极化，并进一步结合铁电极化对类肖特基结的调控作用，在1纳米厚的铁电隧道结中实现了7×10⁵的开关比，创造了原子级厚度铁电隧道结开关比的新纪录。同时在4.6纳米厚的铁电隧道结中实现了超过10⁹的开关比，超过了此前的铁电隧道结和商用非易失性存储器的开关比。此外，该器件同样拥有高达50亿次的编写周期以及连续且线性的电导可调性，在高密度多态存储和存内计算领域具有非常好的应用前景。相关研究成果近日在线发表在《自然∙通讯》（Nature Communications）期刊上。上海交通大学杨睿、北京科技大学张林兴和西班牙巴斯克大学方跃文为该论文的通讯作者。上海交通大学密西根学院博士生贾越洋和北京科技大学博士生杨倩倩为共同一作。

铁电隧道结作为双端阻变器件，因其较小的尺寸、较好的可重复性和较低的读写能耗，有望成为下一代高可靠性、低功耗的非易失性存储和存内计算器件。其主要通过调控铁电层的极化，从而影响电子隧穿通过的平均势垒来改变隧穿电阻。通常来说，铁电隧道结的高开关比有利于降低功耗并提高器件和阵列的稳定性。然而，当铁电层厚度接近原子尺度时，由于铁电结构的不稳定性和较大的去极化场，保持较高的隧穿电阻开关比具有非常大的挑战。

通过利用钐掺杂的氧化铋（Bi_1.8Sm_0.2O₃, BSO）薄膜在原子厚度保持较强且稳定的极化，提出了Au/Cr/BSO/NSTO（掺铌的钛酸锶）的金属/铁电层/半导体结构铁电隧道结。利用铁电极化对铁电势垒高度的调控，以及对铁电层/半导体间类肖特基结的高度和耗尽层的调控作用提升开关比。对于铁电层厚度低至1 nm的铁电隧道结器件，实现了高于7×10⁵的开关比，相比于此前同等铁电层厚度的器件，提升了3个数量级以上的开关比。并且，随着薄膜厚度的增加，器件的开关比可以进一步增加，在铁电层厚度为4.6 nm的器件中最高可达到10⁹以上的开关比（图1）。

图1. 基于BSO薄膜的铁电隧道结极大的开关比。（a）1 nm薄膜器件的直流I–V曲线，插图为高低电阻的累积分布。（b）实现大于7×10⁵的开关比。（c）4.6 nm薄膜器件的直流I–V曲线，插图为高低电阻的累积分布。（d）实现大于1.2×10⁹的开关比。（e）器件的高低阻态随BSO薄膜厚度的变化，可以得到器件的开关比随着厚度会逐渐升高。（f）通过与文献报道的各种材料的铁电隧道结对比，可以看出基于BSO的铁电隧道结的开关比优势。

此种基于BSO的铁电隧道结可以进一步支持多值存储和线性的电导调制。通过改变复位截止电压，在单个铁电隧道结中实现32个不同的电阻状态（5位数据存储），且阻值和编写电压在不同器件和不同编写周期间具有很好的一致性（图2）。此外，该器件可实现大于50亿个编写周期，从而有望支持在线训练，并且数据保持时间超过10年（图3）。因此，该器件在高可靠、高性能、低功耗的非易失性存储器、存内计算和类脑计算等应用中具有广阔的应用前景。

图2. 铁电隧道结的多阻态以及模拟式存储特性。（a）通过交替施加相同的置位电压和不同的复位电压，得到不同的阻态。（b）通过施加-1.5 V到-4.5 V的复位电压，成功得到32个不同阻态。（c）铁电隧道结的电导随脉冲数目的变化，采用相同的60 ns脉冲。（d）铁电隧道结的电导随脉冲数目的变化，采用连续幅值递增的脉冲（ISPP），电导调控的线性度可以得到进一步改善。（e）器件的高低阻态随编写时间的变化。随着编写时间的增加，开关比逐渐升高。（f）进一步提高脉冲幅值，器件的电阻可以实现更大的区间调控。

图3. 铁电隧道结良好的耐久度，阻态保持特性，以及器件的一致性。（a）通过交替施加+2.2 V/-2.5 V的编写脉冲电压，实现了高于5×10⁹的耐久度。（b）在5×10⁹次编写后，器件的开关比可以通过稍微提高编写电压来恢复。（c）铁电隧道结高于10年的数据保持特性。（d）35个不同器件的低阻态，高阻态，以及开关比统计，展示了器件之间良好的一致性。

该研究得到国家自然科学基金等项目的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Giant tunnelling electroresistance in atomic-scale ferroelectric tunnel junctions

Yueyang Jia^†, Qianqian Yang^†, Yue-Wen Fang*, Yue Lu, Maosong Xie, Jianyong Wei, Jianjun Tian, Linxing Zhang*, Rui Yang*

Nat. Commun., 2024, 15, 693, DOI: 10.1038/s41467-024-44927-7

杨睿

https://www.x-mol.com/university/faculty/71454 

课题组网站

https://sites.ji.sjtu.edu.cn/rui-yang/ 

张林兴

https://www.x-mol.com/university/faculty/76841