基于范德華鐵電隧道結(jié)的高性能存儲(chǔ)器方案

作者來(lái)源：江濱武，洪宇晨，楊振寧，曹君，閆曉東，凡心劉，淇濱太陽(yáng)，西嶺，郭晶＆漢王

鐵電隧道結(jié)（FTJs）是一種兩端器件，中間為一層超薄鐵電層形成的隧穿勢(shì)壘，兩邊為非對(duì)稱(chēng)導(dǎo)電層（通常為金屬或者半導(dǎo)體），其隧穿電阻（TER）可以通過(guò)改變鐵電層的極化方向從而改變勢(shì)壘的高度和寬度來(lái)調(diào)節(jié)。鐵電隧道結(jié)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低功耗，非易失性和無(wú)破壞讀出等特點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代高性能存儲(chǔ)器的重要發(fā)展方向。

當(dāng)前的鐵電隧道結(jié)都是基于兩類(lèi)鐵電材料，鈣鈦礦型鐵電體（如BaTiO3和PbZr0.2Ti0.8O3）和氧化物型鐵電體（如HfO2和Hf0.5Zr0.5O2）。這兩類(lèi)鐵電材料用于鐵電隧道結(jié)各有優(yōu)缺點(diǎn)。基于鈣鈦礦型鐵電體的鐵電隧道結(jié)，在采用金屬/鐵電體/半導(dǎo)體三明治結(jié)構(gòu)時(shí)能達(dá)到較高的隧穿電阻（約106），但是因?yàn)檫@種鐵電材料必須生長(zhǎng)在特殊襯底上，其與傳統(tǒng)的硅工藝很難兼容，大大地影響了應(yīng)用前景。基于氧化物型鐵電體的鐵電隧道結(jié)具有硅工藝兼容性，但是因?yàn)椴牧媳旧淼男再|(zhì)和調(diào)控機(jī)理的限制，目前的隧穿電阻始終無(wú)法突破100，離實(shí)用化尚有較大的距離。另外，在這些鐵電隧道結(jié)中勢(shì)壘高度的調(diào)節(jié)是很有限的（約0.1eV），從而限制了其性能的提高。近些年來(lái)，隨著CuInP2S6（CIPS）和In2Se3等二維室溫鐵電體的發(fā)現(xiàn)，鐵電隧道結(jié)有了另一個(gè)新的發(fā)展方向。 近日，南加州大學(xué)Han Wang團(tuán)隊(duì)（https://hanw.usc.edu/）在石墨烯/CIPS/Cr的二維范德華鐵電隧道結(jié)中實(shí)現(xiàn)了高達(dá)107的隧穿電阻，同時(shí)得益于單層石墨烯在狄拉克點(diǎn)附近很小的態(tài)密度，他們?cè)谶@類(lèi)范德華鐵電隧道結(jié)中觀測(cè)到了高達(dá)1 eV的勢(shì)壘高度調(diào)節(jié)。該鐵電隧道結(jié)同時(shí)兼顧了硅工藝兼容性和高隧穿電阻，有望成為未來(lái)商用的高性能鐵電存儲(chǔ)器。相關(guān)成果以“High tunnelling electroresistance in a ferroelectric van der Waals heterojunction via giant barrier height modulation”為題于2020年7月6日發(fā)表在Nature Electronics上。南加州大學(xué)Jiangbin Wu和Hung-Yu Chen為共同第一作者，Han Wang教授，佛羅里達(dá)大學(xué)Jing Guo教授和中科大Qibin Sun教授為該文章的共同通訊作者。該工作得到了波士頓大學(xué)Xi Ling教授和浙江理工大學(xué)Fanxin Liu教授的協(xié)助。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員首先將單層石墨烯和CIPS以及Cr制成垂直異質(zhì)結(jié)器件。CIPS的室溫鐵電性分別用壓電力顯微鏡和電容電壓響應(yīng)進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)不同方向的電壓脈沖，CIPS的極化方向能夠被翻轉(zhuǎn)，從而獲得高達(dá)107的隧穿電阻（圖1）。器件的電流電壓特性能被基于非平衡格林函數(shù)的模擬很好的描述。如此高的隧穿電阻來(lái)源于石墨烯在狄拉克點(diǎn)附近很小的態(tài)密度以及范德華異質(zhì)結(jié)特有的界面性質(zhì)。當(dāng)CIPS中的鐵電極化方向朝向石墨烯時(shí)，石墨烯為n型摻雜，此時(shí)勢(shì)壘很低，隧穿結(jié)處于開(kāi)的狀態(tài)。而當(dāng)CIPS中的鐵電極化方向朝向Cr時(shí)，石墨烯為p型摻雜，此時(shí)勢(shì)壘很高，隧穿結(jié)處于關(guān)的狀態(tài)。因?yàn)榈依它c(diǎn)附近很小的態(tài)密度，在鐵電極化翻轉(zhuǎn)的時(shí)候，石墨烯的費(fèi)米能級(jí)變化很大，也就是勢(shì)壘高度變化很大，導(dǎo)致了很大的隧穿電阻。通過(guò)拉曼光譜和開(kāi)爾文力顯微鏡，研究人員探測(cè)到高達(dá)1 eV的勢(shì)壘高度差（圖2）。

圖1.(a)范德華鐵電隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 范德華鐵電隧道結(jié)切面的TEM和EELS圖像。(c) 范德華鐵電隧道的開(kāi)關(guān)特性。(d) 范德華鐵電隧道結(jié)開(kāi)和關(guān)狀態(tài)下的電流電壓特性。 為了驗(yàn)證石墨烯在這類(lèi)范德華鐵電隧道結(jié)中的作用，研究人員還比較了石墨烯/CIPS/Cr鐵電隧道結(jié)和Au/CIPS/Cr鐵電隧道結(jié)中隧穿電阻的差別。在沒(méi)有采用石墨烯的Au/CIPS/Cr鐵電隧道結(jié)中隧穿電阻約為50，遠(yuǎn)低于范德華鐵電隧道結(jié)中的107。另外，隨著石墨烯厚度的增加，范德華鐵電隧道結(jié)的隧穿電阻也逐漸減小，充分體現(xiàn)了單層石墨烯用于隧穿勢(shì)壘高度調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)。他們還驗(yàn)證了這類(lèi)范德華鐵電隧道結(jié)具有高速讀寫(xiě)和高讀寫(xiě)耐久性的特點(diǎn)，以及其持久的數(shù)據(jù)保持能力，是下一代高性能非易失性存儲(chǔ)器的理想選擇。

圖2.(a)范德華鐵電隧道結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 開(kāi)爾文力顯微鏡探測(cè)到的范德華鐵電隧道結(jié)中石墨烯的費(fèi)米能級(jí)調(diào)節(jié)。