SrTiO3铁电隧道结的电阻回线

aSrTiO3薄膜的表面形貌,b铁电性能,cd针尖写入的畴结构,e于畴结构对应的隧穿电流分布

南京大学青年学者联谊会成员、现代工程与应用科学学院吴迪教授课题组在铁电隧道结研究方面取得重要进展。他们首次提出并制备了基于金属/超薄铁电薄膜/半导体隧穿结构的新型铁电阻变存储器件，获得了巨大的电阻开关比，极大地提高了铁电隧道结的性能。该论文近日在线发表于《自然—材料学》期刊网站上。Nature Materials 12, 617–621
(2013)。

非易失性存储器在断电时仍能保持所存储的数据。随着小型化便携式电子产品的普及，对高密度非易失性存储器的市场需求越来越大。目前，主流的非易失性存储(即U盘使用的FLASH方案)面临功耗大、集成度已逼近其物理极限等瓶颈。发展新的非易失性存储方案成为必由之路。以铁电隧道结为存储单元的铁电阻性存储近来备受关注。

铁电隧道结是一个金属/超薄铁电薄膜/金属三明治结构，以几个纳米厚度的铁电层作为电子隧穿势垒，铁电层中自发极化翻转使得势垒高度在高低两个值中变化，而从在隧道结中获得高、低两个非挥发电阻态。铁电隧道结具有非破坏性读出、高存储密度、超快数据访问、低能耗等优势，因而被认为有望突破传统的非挥发存储的瓶颈。铁电隧穿阻变的电阻开关比越高，应用前景越明朗，但是以往的工作得到的电阻开关比只有几倍到几百倍，限制了它的应用前景。

南京大学吴迪教授课题组注意到隧穿机率同时依赖于势垒的高度和宽度，借鉴铁电场效应器件工作原理，提出基于金属/超薄铁电薄膜/半导体结构的新型铁电隧道结，通过铁电场效应，实现极化翻转对势垒高度和宽度的同时调控，获得增强的电阻开关比。课题组经过大量实验，成功地在Nb:SrTiO3半导体衬底上外延了厚度仅为7个晶胞高度(约3 nm)的高质量BaTiO3铁电薄膜，并获得了稳定的极化翻转；在Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3隧穿结构中实现了高达104的电阻开关比，比此前报道的最好结果提高了两个数量级，并且表现出可靠的阻态翻转重复性和长时间的数据保持性。这些突出的性能表明这一新型铁电隧穿结构在非挥发阻性铁电存储方面具有极大的应用潜力。

《自然—材料学》期刊网站同时刊登了美国学者对此工作撰写的评论，认为这一新型铁电隧穿结构获得了令人激动的、目前这方面最好的结果，推进了该领域的研究。该工作得到科技部国家重大科学研究计划、国家自然科学基金和江苏省自然科学基金的资助。（来源：南京大学现代工程与应用科学学院）