Сегнетоэлектрический туннельный переход

This article may be too technical for most readers to understand. Please help improve it to make it understandable to non-experts, without removing the technical details. (September 2024) (Learn how and when to remove this message)

Ферроэлектрический туннельный переход (FTJ) — это форма туннельного перехода , включающая сегнетоэлектрический диэлектрический материал, зажатый между двумя электропроводящими материалами. ^[1] Электроны не проходят напрямую через переход, а вместо этого они проходят барьер посредством квантового туннелирования . Структура похожа на сегнетоэлектрический конденсатор , но сегнетоэлектрический слой изготовлен достаточно тонким, чтобы обеспечить значительный туннельный ток. Величина туннельного тока переключается сегнетоэлектрической поляризацией и регулируется туннельным электросопротивлением (TER). ^[1]

Существует два условия, которые необходимо соблюсти для изготовления надежного FTJ: слой FE должен быть толщиной не более 3 нм, чтобы обеспечить туннелирование электронов (см. раздел «Туннелирование»), а интерфейсы с обеих сторон должны быть энергетически асимметричными, чтобы получить две отдельные высоты потенциального барьера. ^[2]

Ферроэлектрические туннельные переходы разрабатываются как мемристивный компонент для полупроводниковой промышленности. По состоянию на начало 2024 года технологии на основе FTJ не являются коммерчески доступными. Чтобы обеспечить достаточную вероятность туннелирования, сегнетоэлектрический слой должен быть достаточно тонким (в нанометровом масштабе), что делает многие обычные сегнетоэлектрические материалы избыточными. Долгое время считалось, что сегнетоэлектричество как явление исчезает при толщинах, необходимых для туннелирования, что препятствовало исследованиям по этой теме до 2000-х годов. С тех пор было показано значительное сегнетоэлектричество в тонких пленках, и было успешно показано, что FTJ следуют предложенному принципу работы. ^[2]

В то время как большинство сегнетоэлектрических материалов требуют высоких температур изготовления, было показано, что поликристаллический тонкопленочный оксид гафния является сегнетоэлектриком даже при температурах изготовления, совместимых с комплементарными металл-оксидными полупроводниками (КМОП), что делает FTJ особенно интересными для полупроводниковой промышленности. ^[2]

Оксид гафния наносится методом атомно-слоевого осаждения (ALD), что позволяет осуществлять точный рост для формирования достаточно тонких слоев. ^[2] FTJ приобрели значительный интерес из-за мемристивных свойств, а также совместимых с КМОП рабочих напряжений и методов изготовления. В дополнение к сегнетоэлектрическим туннельным переходам существуют и другие сегнетоэлектрические устройства, включая сегнетоэлектрические конденсаторы (FeCAP), сегнетоэлектрические полевые транзисторы (FeFET), сегнетоэлектрическую память с произвольным доступом (FeRAM) ^[1] и мультиферроидные туннельные переходы (MFTJ), которые представляют собой сегнетоэлектрические туннельные переходы с ферромагнитными материалами в качестве двух электродов. ^[3]

Ферроэлектрические туннельные переходы — это устройства, в которых ток через устройство может контролироваться напряжением, подаваемым на устройство. Эти мемристивные компоненты используют сегнетоэлектрическое поведение для изменения вероятности туннелирования через устройство.

В простом объяснении сегнетоэлектричества электрические дипольные моменты кристаллических элементарных ячеек сначала указывают в случайных направлениях. Когда напряжение подается через материал, эти дипольные моменты вращаются, чтобы выровняться с электрическим полем, вызванным разностью напряжений. Как только напряжение понижается до нуля, дипольные моменты остаются выровненными с предыдущим полем. Сумма отдельных дипольных моментов формирует поляризацию материала. В несегнетоэлектрических материалах поляризация релаксирует обратно к нулю, как только напряжение понижается; в сегнетоэлектрических материалах поляризация сохраняется. Когда напряжение противоположного знака подается через тот же кусок сегнетоэлектрического материала, поляризация переключается, чтобы указывать в противоположном направлении. Опять же, поляризация сохраняется даже после того, как поле уменьшается до нуля. Это приводит к эффекту гистерезиса, наблюдаемому на кривой поляризация-электрическое поле (PE). ^[4]

Переключение сегнетоэлектрической поляризации материала влияет на высоту потенциального барьера в устройстве. Потенциальный барьер влияет на вероятность туннелирования и, таким образом, на измеряемый ток, который может быть использован в качестве памяти, управляемой напряжением .

Как следует из названия сегнетоэлектрический туннельный переход, устройства работают на основе квантового туннелирования через барьер. Когда электроны туннелируют через барьер, результирующее движение можно измерить как ток. Амплитуда тока определяется вероятностью туннелирования.

На границе изолирующего потенциального барьера, когда энергия падающей волны ниже энергии барьера, волновая функция экспоненциально затухает в изоляторе. В зависимости от соотношения толщины по отношению к постоянной затухания материала, существует вероятность туннелирования через материал, которая представлена ​​как коэффициент пропускания :

${\displaystyle T(E)=\exp(-2\int _{x_{1}}^{x_{2}}dx{\sqrt {2m(V(x)-E)/\hbar ^{2}}}),}$

где и — края потенциального барьера, — высота потенциального барьера в точке , — энергия электрона, — масса электрона.${\displaystyle x_{1}}$${\displaystyle x_{2}}$${\displaystyle V(x)}$${\displaystyle x}$${\displaystyle E}$${\displaystyle m}$

Помимо прямого туннелирования, туннелирование Фаулера-Нордгейма и термоионная эмиссия вносят значительный вклад в общий ток при различных рабочих напряжениях. ^[1]

На данный момент FTJ совместимы с КМОП на уровне бэкэнда, тогда как совместимость на уровне фронтэнда все еще находится в стадии разработки. Тем не менее, совместимость на уровне бэкэнда позволяет интегрировать FTJ в текущую технологию кремниевых полупроводников с относительно небольшими инвестициями в новую инфраструктуру производства. Поскольку вычисления, из-за появления машинного обучения и искусственного интеллекта , все больше смещаются от логически-центричных к вычислительным вычислениям, ориентированным на память, исследования и разработки в области энергоэффективной, быстрой и надежной КМОП-совместимой энергонезависимой памяти являются весьма актуальными. ^[5]

Благодаря неразрушающему считыванию энергонезависимой памяти, реализованной с помощью FTJ, компоненты приобрели интерес в области нейроморфных вычислений . Кроме того, FTJ демонстрируют такое поведение, как накопительное переключение, которое является многообещающим в аппаратных реализациях импульсных нейронных сетей . ^[5]

Наличие интерфейсных слоев между металлом и материалом FE, также известных как мертвые слои, вызывает изменения в характеристиках устройства, ухудшая его функциональность. ^[2]

Помимо сегнетоэлектрических туннельных переходов существуют и другие более устоявшиеся и новые устройства, основанные на тех же принципах. К ним относятся:

• Магнитный туннельный переход : электроны туннелируют из одного магнитного материала в другой через тонкий изолирующий барьер.
• Многопереходный фотоэлектрический элемент
• Туннельный диод
• Сверхпроводящий туннельный переход

Структура зонда/воздуха/подложки сканирующего туннельного микроскопа также может рассматриваться как туннельный переход. Некоторые исследования были проведены с зондами STM, касающимися сегнетоэлектричества, при управлении переключением доменов с помощью зонда STM. ^[6] Это не сегнетоэлектрический туннельный переход, поскольку сегнетоэлектрический материал не выполняет функцию потенциального барьера.