【摘 要】
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铁电隧道结因具有高集成度、高读写速度、低读写功耗和非破坏性读出等优点引起了人们的极大关注,被视为下一代非易失性存储器的有力竞争者。然而与其他类型的非易失性存储器相比,对于铁电隧道结非易失性存储可靠性的研究始终不多,其电阻保持失效机制和阻变翻转疲劳机制尚不明确。因此,本文以Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3铁电隧道结为研究对象,对其非易失性存储可靠性做了以下研究:首先,以四个原胞厚度的SrTiO
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铁电隧道结因具有高集成度、高读写速度、低读写功耗和非破坏性读出等优点引起了人们的极大关注,被视为下一代非易失性存储器的有力竞争者。然而与其他类型的非易失性存储器相比,对于铁电隧道结非易失性存储可靠性的研究始终不多,其电阻保持失效机制和阻变翻转疲劳机制尚不明确。因此,本文以Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3铁电隧道结为研究对象,对其非易失性存储可靠性做了以下研究:首先,以四个原胞厚度的SrTiO3,LaAlO3和BaTiO3为势垒层制备了三种不同的隧道结器件,通过对比其阻变性能,揭示了铁电极化对金属/铁电/半导体隧道结阻变存储性能的影响。测试结果表明,相对于其他两种非铁电隧道结,铁电极化对势垒的调控使Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3隧道结开关比高出了三个数量级,电阻保持能力和阻变翻转耐久性也更优越。借助菲克第二定律,阐述了绝缘体/半导体界面处电子的自发扩散行为,揭示了隧道结电阻保持失效的微观机制。之后,利用数字源表对Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3铁电隧道结阻变循环耐久性进行了测试,发现器件在经历一定次数阻变循环之后出现了疲劳效应。利用扫描透射显微镜技术,观察到了经历阻变循环之后的BaTiO3薄膜中氧空位浓度逐渐升高,以及钙钛矿晶格结构被逐渐破坏的现象。然后利用压电力显微镜技术,探究了阻变循环过程中BaTiO3薄膜铁电性逐渐丧失的过程。最后,通过对铁电隧道结势垒和翻转动力学的分析,结合等效电路分析和第一性原理计算,详细阐述了铁电隧道结发生阻变疲劳的物理机制,从原子尺度揭示了隧道结开关比降低和矫顽电压增大的原因。除此之外,我们设计并制备了具有四个非易失性电阻态的(La0.67,Sr0.33)Mn O3/BaTiO3/Co Fe2O4/Nb:SrTiO3多铁隧道结。测试发现BaTiO3极化方向的变化可以改变Co Fe2O4势垒相对于(La0.67,Sr0.33)Mn O3电极的能带排列,使隧穿磁致电阻发生约10倍的变化,甚至使隧穿磁致电阻的符号随铁电极化方向发生反转。通过对BaTiO3铁电极化方向的逐步调控,实现了器件开关电流比为54400%的连续电导变化,并以此实现了器件仿神经元突触的长期记忆和脉冲时间依赖可塑性功能,展现了多铁隧道结在非易失性存储和神经态网络计算中的双重潜力。
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