Resistive switching in nanometric BaTiO3 ferroelectric junctions

Abstract

Los condensadores ferroeléctricos están formados por dos electrodos metálicos separados por una capa ferroeléctrica, y tienen un gran potencial para dispositivos lógicos y memorias. El carácter ferroeléctrico de la barrera permite la aparición de memoria multinivel con una respuesta (resistencia R) que puede venir determinada por su historia (). El voltaje aplicado previamente permite escribir sobre el condensador distintos estados resistivos. Naturalmente, el éxito de este enfoque depende de la habilidad para fabricar condensadores ferroeléctricos con una gran respuesta RS a temperatura ambiente.

El objetivo principal de esta tesis es el estudio del comportamiento RS de capas ferroeléctricas delgadas y ultradelgadas. En particular la distinta respuesta RS que tiene lugar dependiendo del espesor de las capas ferroeléctricas, el tiempo de escritura, amplitud y signo, temperatura y configuración de los contactos. Para ello se han utilizado condensadores ferroeléctricos basados en BaTiO3 epitaxial y se ha desarrollado una configuración completa, presentado en este documento.

En condensadores ferroeléctricos basados en BaTiO3 ultrafino los electrones pueden atravesar la barrera mediante efecto túnel. En este caso el efecto de RS se origina como consecuencia de la dependencia de altura de la barrera con el estado de polarización ferroeléctrico. A pesar de que el proceso de “switching” “UP to DOWN” es similar al proceso inverso (“DOWN to UP”), en barreras con efecto túnel estos procesos diferentes generan dinámicas muy distintas. Las diferentes dinámicas consisten en una respuesta rápida para la inversión de la polarización de un signo, y una respuesta lenta para la inversión de polarización de signo contrario. Esto ha sido asociado a la presencia de campos eléctricos (“imprint”) causados por la asimetría intrínseca del dispositivo.

La caracterización de los condensadores ferroeléctricos de BaTiO3, atendiendo al espesor de la barrera ferroeléctrica (t=3-110nm), muestra que el RS puede variar de magnitud y signo en función del espesor de la barrera y del protocolo de escritura. Medidas adicionales de temperatura han sido necesarias para evidenciar la existencia de una contribución al RS proveniente de un desplazamiento iónico asistido por campo eléctrico. Se discute cómo el balance relativo entre los procesos de difusión puramente electrónica e iónica modula la altura de la barrera Schottky y consecuentemente cómo son responsables de las variaciones observadas en la magnitud y signo de la electrorresistencia. En capas ultradelgadas se encuentra que estos procesos son despreciables y una modulación de la barrera de efecto túnel (puramente electrónica) tiene lugar.

Aprovechando el conocimiento adquirido a lo largo de la elaboración del presente trabajo, se han utilizado condensadores ferroeléctricos de efecto túnel para implementar un dispositivo CRS (“Complementary Resistive Switching”). El CRS ha sido desarrollado para resolver el problema de corriente de “sneak” de arrays de memoria pasivos, lo cual abre oportunidades para conseguir arrays nanocrossbar de mayor densidad. Mediante el uso de una configuración simple de uniones túnel ferroeléctricas hemos implementado la funcionalidad del CRS que permite la lectura y escritura de estados binarios de idéntico estado de alta resistencia en el estado sin “bias”. Además, se demuestra experimentalmente que esta configuración aporta ventajas notables en cuanto al ahorro energético, y se discute sobre los resultados obtenidos los posibles obstáculos que esta funcionalidad podría enfrentar.

Ferroelectric capacitors consist of two metallic electrodes separated by a ferroelectric layer have great potential for memory and logic devices. Here, the ferroelectric character of the barrier should allow to build multilevel of memory with a response (resistance R) that can be dictated by its previous history (cycling voltage V). Previous applied voltage allow writing on the capacitor different resistance states. Naturally, the success of this approach base on the ability to build ferroelectric capacitor with large RS response at room temperature. The ultimate goal of the present thesis is the study of the RS behavior of ferroelectric thin and ultrathin films. In particular, the different RS response depending on parameters such as ferroelectric layer thickness, writing time, amplitude and polarity, device temperature, and contact configuration. For that purpose, epitaxial BaTiO3-based ferroelectric capacitors has been used and a complete set-up has been developed and it is documented in the present thesis. In ultrathin BaTiO3-based ferroelectric capacitors, electrons can tunnel across the ferroelectric barrier. In this case RS results from the different barrier height depending on ferroelectric polarization state. Although, it is assumed that the UP to DOWN switching process it is similar to the DOWN to UP, in tunneling barriers these different processes result in very different dynamics. The different dynamics consists on fast response for one sign of polarization reversal and slow for the other, which has been ascribed to the presence of imprint electric fields caused by the intrinsic device asymmetry. Characterization of BaTiO3-based ferroelectric capacitors, focusing on its dependence on ferroelectric barrier thickness (t = 3-110nm) has revealed that RS can change its magnitude and sign depending on the barrier thickness and writing protocol. Additional temperature-dependent measurements have been instrumental to obtain evidence of the presence of field-assisted ionic motion contributing to RS. It is argued that the relative balance between purely electronic and ionic diffusion processes, modulate the height of the interfacial Schottky barriers and consequently, are responsible of the observed variations of the magnitude and sign of electroresistance. In ultrathin films these processes are found to be negligible and modulation of the tunneling barrier (purely electronic) takes place. Taking benefit of the understanding acquired during the elaboration of the presence work, tunneling ferroelectric capacitors have been used to implement a Complementary Resistive Switch (CRS) device. CRS has been developed to overcome the sneak current path problem of passive memory arrays, which reveal’s opportunities for higher density nanocrossbar arrays. By using a simple arrangement of ferroelectric tunnel junctions, we implemented the CRS functionality that allows effectively writing and reading binary states of identically large resistance state in the unbiased state. Moreover, it is experimentally demonstrated that this arrangement has significant advantages in power saving, and it is discussed on the basis of the obtained results that the possible bottlenecks that this functionality might show.