トンネル電気抵抗を高めるために提案された二重バリア設計

2023年8月30日

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中国科学院、張南南著

中国科学院合肥物理科学研究所のZheng Xiaohong教授率いる研究チームは、密度汎関数理論の分析に基づいて、二重障壁構造が強誘電体トンネル接合（FTJ）のトンネル電気抵抗（TER）を大幅に強化できることを提案した。 ）、二重バリア強誘電体トンネル接合（DB-FTJ）が多状態記憶を実現できることを実証しました。

成果はnpj Computational Materialsに掲載されました。

ＦＴＪは、潜在的な不揮発性メモリデバイスとしてかなりの注目を集めている。 FTJ の構造は、両側の金属電極とその間の中間強誘電体トンネル障壁で構成されます。

強誘電体材料の分極方向を反転するとコンダクタンスが大きく変化し、バイナリメモリのオン状態とオフ状態として使用できる高コンダクタンス状態と低コンダクタンス状態が作成されます。 研究の主な焦点は、2 つの分極状態間のコンダクタンスの変化を定量化する、より高い TER 比を達成するための新しい方法を開発することです。

この研究では、研究者らは Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt DB-FTJ を設計し、その輸送特性をシミュレートするために密度汎関数理論の計算を実行しました。 彼らは、提案された DB-FTJ における強誘電体の左分極状態と右分極状態の間の切り替えにより、2.210×108% という巨大な TER 比が生成されることを発見しました (これは、2 つの分極状態間に透過係数に大きな差があることを示しています)。 Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt シングルバリア強誘電体トンネル接合 (SB-FTJ) よりも少なくとも 3 桁大きい。

基本的な考え方は 2 つの事実に基づいています。 まず、直列の 2 つの単一バリアからなる二重バリア構造の透過係数は、2 つの単一バリアの透過係数の積に関係します。 次に、1 より大きい正の数の 2 乗は指数関数的に増加します。 これらの原則は DB-FTJ で完全に明らかにされています。

研究者らはまた、各バリアの分極方向を個別に制御することで、頭対頭および尾部対尾の強誘電分極による 2 つの追加の分極状態を実現でき、その結果複数の抵抗状態が得られることも提案しました。

この研究は、FTJ の設計において、二重バリア構造が FTJ の TER 比を大幅に改善し、マルチステート データ ストレージとして有望なものにすることができることを実証しました。

詳しくは： Wei Xiao et al、二重バリア設計による強誘電体トンネル接合におけるトンネル電気抵抗の大幅な向上、npj Computational Materials (2023)。 DOI: 10.1038/s41524-023-01101-9

中国科学院提供