基于范德华铁电隧道结的高开关比非易失存储器

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铁电隧道结（FTJs）是一种两端器件，中间为一层超薄铁电层形成的隧穿势垒，两边为非对称导电层（通常为金属或者半导体），其隧穿电阻（TER）可以通过改变铁电层的极化方向从而改变势垒的高度和宽度来调节。铁电隧道结具有结构简单，低功耗，非易失性和无破坏读出等特点，被认为是下一代高性能存储器的重要发展方向。

当前的铁电隧道结都是基于两类铁电材料，钙钛矿型铁电体（如BaTiO₃和PbZr_0.2Ti_0.8O₃）和氧化物型铁电体（如HfO₂和Hf_0.5Zr_0.5O₂）。这两类铁电材料用于铁电隧道结各有优缺点。基于钙钛矿型铁电体的铁电隧道结，在采用金属/铁电体/半导体三明治结构时能达到较高的隧穿电阻（约10⁶），但是因为这种铁电材料必须生长在特殊衬底上，其与传统的硅工艺很难兼容，大大地影响了应用前景。基于氧化物型铁电体的铁电隧道结具有硅工艺兼容性，但是因为材料本身的性质和调控机理的限制，目前的隧穿电阻始终无法突破100，离实用化尚有较大的距离。另外，在这些铁电隧道结中势垒高度的调节是很有限的（约0.1eV），从而限制了其性能的提高。近些年来，随着CuInP₂S₆（CIPS）和In₂Se₃等二维室温铁电体的发现，铁电隧道结有了另一个新的发展方向。

近日，南加州大学Han Wang团队（https://hanw.usc.edu/）在石墨烯/CIPS/Cr的二维范德华铁电隧道结中实现了高达10⁷的隧穿电阻，同时得益于单层石墨烯在狄拉克点附近很小的态密度，他们在这类范德华铁电隧道结中观测到了高达1 eV的势垒高度调节。该铁电隧道结同时兼顾了硅工艺兼容性和高隧穿电阻，有望成为未来商用的高性能铁电存储器。相关成果以“High tunnelling electroresistance in a ferroelectric van der Waals heterojunction via giant barrier height modulation”为题于2020年7月6日发表在Nature Electronics上。南加州大学Jiangbin Wu和Hung-Yu Chen为共同第一作者，Han Wang教授，佛罗里达大学Jing Guo教授和中科大Qibin Sun教授为该文章的共同通讯作者。该工作得到了波士顿大学Xi Ling教授和浙江理工大学Fanxin Liu教授的协助。

在实验中，研究人员首先将单层石墨烯和CIPS以及Cr制成垂直异质结器件。CIPS的室温铁电性分别用压电力显微镜和电容电压响应进行了验证。通过不同方向的电压脉冲，CIPS的极化方向能够被翻转，从而获得高达10⁷的隧穿电阻（图1）。器件的电流电压特性能被基于非平衡格林函数的模拟很好的描述。如此高的隧穿电阻来源于石墨烯在狄拉克点附近很小的态密度以及范德华异质结特有的界面性质。当CIPS中的铁电极化方向朝向石墨烯时，石墨烯为n型掺杂，此时势垒很低，隧穿结处于开的状态。而当CIPS中的铁电极化方向朝向Cr时，石墨烯为p型掺杂，此时势垒很高，隧穿结处于关的状态。因为狄拉克点附近很小的态密度，在铁电极化翻转的时候，石墨烯的费米能级变化很大，也就是势垒高度变化很大，导致了很大的隧穿电阻。通过拉曼光谱和开尔文力显微镜，研究人员探测到高达1 eV的势垒高度差（图2）。

图1.(a)范德华铁电隧道结的结构示意图。(b) 范德华铁电隧道结切面的TEM和EELS图像。(c) 范德华铁电隧道的开关特性。(d) 范德华铁电隧道结开和关状态下的电流电压特性。

为了验证石墨烯在这类范德华铁电隧道结中的作用，研究人员还比较了石墨烯/CIPS/Cr铁电隧道结和Au/CIPS/Cr铁电隧道结中隧穿电阻的差别。在没有采用石墨烯的Au/CIPS/Cr铁电隧道结中隧穿电阻约为50，远低于范德华铁电隧道结中的10⁷。另外，随着石墨烯厚度的增加，范德华铁电隧道结的隧穿电阻也逐渐减小，充分体现了单层石墨烯用于隧穿势垒高度调节的优势。他们还验证了这类范德华铁电隧道结具有高速读写和高读写耐久性的特点，以及其持久的数据保持能力，是下一代高性能非易失性存储器的理想选择。

图2.(a)范德华铁电隧道结的能带结构示意图。(b) 开尔文力显微镜探测到的范德华铁电隧道结中石墨烯的费米能级调节。

8月5日，在Nature Electronics上，南京大学王欣然教授和中科院上海技术物理研究所的王建禄研究员针对该工作发表了题为“Ferroelectric tunnel junctions with high tunnelling electroresistance”的新闻和评述，全面且具有前瞻性地评价了这类范德华铁电隧道结的优势和应用前景。