SET Cepat dan RESET Lambat: Perpindahan Resistensi Asimetrik dalam Heterojungksi Epitaksial BaTiO3/Nb:SrTiO3

Abstrak

Kami melaporkan perpindahan resistensi asimetrik dalam heterojungksi epitaksial BaTiO₃/Nb:SrTiO₃. Transisi SET (dari resistansi tinggi ke rendah) selesai dalam ~10 ns di bawah +8 V, sedangkan transisi RESET (dari resistansi rendah ke tinggi) membutuhkan ~10⁵ ns di bawah –8 V. Perbedaan berasal dari mekanisme penapisan yang berbeda di antarmuka BaTiO₃/Nb:SrTiO₃: elektron dengan cepat menapis muatan terikat positif selama SET, sementara rongga oksigen—lambat untuk bermigrasi—menapis muatan terikat negatif selama RESET. Perilaku SET cepat/RESET lambat ini membuka peluang untuk perangkat yang mendapat manfaat dari operasi tulis cepat dan hapus yang tahan lama.

Latar Belakang

Perpindahan resistensi ferroelektrik—yang dipicu sepenuhnya oleh pembalikan polarisasi—telah menarik minat intens karena kecepatan dan reversibilitas bawaan. Ini telah ditunjukkan dalam berbagai heterojungksi ferroelektrik/semikonduktor, seperti BaTiO₃/Nb:SrTiO₃ dan MoS₂/BaTiO₃/SrRuO₃, di mana ketinggian dan lebar barirermodulasi oleh efek medan ferroelektrik. Fenomena yang dilaporkan mencakup tunneling elektro resistensi yang ditingkatkan, perpindahan resistensi bipolar yang digabungkan dengan resistensi diferensial negatif, dan elektro resistensi yang dikontrol secara optik atau listrik. Meskipun kemajuan ini, dinamika perpindahan dalam heterojungksi BaTiO₃/Nb:SrTiO₃ belum dieksplorasi. Di sini kami melaporkan perpindahan resistensi asimetrik: ~10 ns SET di bawah +8 V versus ~10⁵ ns RESET di bawah –8 V. Kami mengaitkan perilaku ini dengan interaksi antara penapisan polarisasi ferroelektrik oleh elektron dan rongga oksigen di antarmuka.

Metode

Substrat NSTO komersial (100) 0,7 wt% secara berurutan dibersihkan dengan etanol, aseton, dan air deionisasi, lalu dikeringkan dengan udara. Film BaTiO₃ (BTO) (~100 nm) ditanam oleh depoisi laser terpulsar (KrF excimer, 248 nm, 25 ns, 300 mJ, 5 Hz) pada 700 °C di bawah 1 Pa O₂ selama 15 menit, diikuti oleh 10 menit pada 1 Pa O₂ dan pendinginan terkontrol ke suhu kamar pada 10 °C/min dalam vakum. Elektrod atas Au (0,04 mm²) di-sputter melalui masker bayang; elektrod bawah adalah indium ditekan pada substrat NSTO. Pengukuran transportasi menggunakan sourcemeter Keithley 2400, sementara pulsa tegangan (10 ns–1 s) dihasilkan oleh generator gelombang arbitrer Agilent 33250A. Morfologi permukaan, ferroelektrik, dan potensi elektrostatis dikarakterisir oleh mikroskopi gaya atom (AFM), mikroskopi gaya respons piezo (PFM), dan mikroskopi probe Kelvin skaning (SKPM) menggunakan instrumen Oxford AR. Gambar fase, amplitudo, arus PFM, dan gambar SKPM diambil atas area 2 × 2 µm² setelah penulisan domain dengan +8 V dan –8 V, di bawah ujung konduktif yang bias 0,5 V. Semua pengukuran dilakukan pada suhu kamar.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 mengilustrasikan karakteristik arus-tegangan (I–V) tumpukan Au/BTO/NSTO/In pada bias kecil (–0,5 hingga 0,5 V) setelah pulsa dengan amplitudo dan lebar yang bervariasi. Pulsa positif mengatur perangkat ke keadaan resistansi rendah (LRS; ~3 × 10⁴ Ω), sedangkan pulsa negatif mengembalikannya ke keadaan resistansi tinggi (HRS; ~3 × 10⁶ Ω), menghasilkan rasio OFF/ON sebesar 100. Transisi berjalan secara bertahap, memungkinkan penyesuaian resistansi multi-level. Pengukuran terwaktu menunjukkan bahwa transisi SET menyegerakan dengan pulsa 10 ns di atas 4 V, sedangkan transisi RESET memerlukan pulsa skala milidetik untuk sepenuhnya memulihkan HRS. Asimetri empat urutan besar ini menggarisbawahi mekanisme yang berbeda di baliknya.

Gambar 2 mengonfirmasi sifat ferroelektrik film BTO: AFM menunjukkan permukaan yang datar secara atomik, dan loop histeresis PFM menunjukkan tegangan paksa ±3,1 V. Gambar PFM dan SKPM setelah penulisan domain menunjukkan bahwa arus lokal lebih tinggi saat polarisasi menuju substrat Nb:SrTiO₃ (bias positif) dan lebih rendah saat menuju dari sana (bias negatif). Tidak ada konduksi filamen yang diamati, menunjukkan mekanisme efek medan murni. Kecepatan perpindahan yang diamati tidak dapat dijelaskan oleh pembalikan polarisasi murni (yang akan ~10 ns baik untuk SET maupun RESET) maupun oleh drift rongga oksigen saja, yang menunjukkan proses penapisan gabungan elektron–rongga.

Kami mengusulkan bahwa selama SET (bias positif), elektron dengan cepat menapis muatan terikat positif di antarmuka BTO/NSTO, menurunkan barir Schottky dan memungkinkan transisi yang cepat. Selama RESET (bias negatif), rongga oksigen harus bermigrasi untuk menapis muatan terikat negatif; mobilitas lambat mereka memberlakukan skala waktu yang lebih lama. Model ini mengakomodasi asimetri yang diamati dan sepakat dengan pengamatan sebelumnya tentang penapisan antarmuka elektron–rongga dalam heterostruktur terkait.

Kesimpulan

Perpindahan resistensi asimetrik telah ditunjukkan dalam heterojungksi BaTiO₃/Nb:SrTiO₃, dengan SET terjadi dalam ~10 ns dan RESET dalam ~10⁵ ns. Perbedaan berasal dari penapisan yang dimediasi elektron selama SET dan penapisan yang dimediasi rongga oksigen selama RESET di antarmuka BTO/NSTO. Perilaku tulis cepat/hapus lambat ini menjanjikan untuk aplikasi yang memerlukan pemrograman cepat dan retensi jangka panjang.

Singkatan

BTO:

BaTiO₃

HRS:

Keadaan resistansi tinggi

LRS:

Keadaan resistansi rendah

NSTO:

Nb:SrTiO₃

PFM:

Mikroskopi gaya respons piezo

SKPM:

Mikroskopi probe Kelvin skaning