[发明专利]铁电隧道结器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧道结器件。

背景技术

铁电隧道结（FTJ）是一种以铁电超薄膜为势垒层在其两面夹以电极的异质结构。于2005年Kohlstedt H（Theoretical current-voltage characteristics of ferroelectric tunnel junctions[J],Phys Rev B,2005,72:125341）等正式提出了FTJ的概念。

FTJ概念的提出了对铁电薄膜的应用和理论研究提出了新的课题和挑战。其具有两个最明显的新特性：两字隧穿效应和电阻反转效应。当前薄膜制备技术的发展可使铁电薄膜的厚度仅几个纳米，特别是原子尺度控制薄膜生长的技术，甚至可以使铁电薄膜仅具有几个晶胞的厚度。

通常，隧道结由两个金属电极和夹在里面的纳米厚绝缘层组成。超导约瑟夫森结和磁性隧道结都是隧道结的典型应用，已经引起了人们的广泛关注。

最近，随着钙钛矿型氧化物薄膜生长技术的进步，在几个晶格单元厚度的薄膜中仍然可以维持其铁电性，这使得采用超薄铁电陶瓷势垒来实现铁电隧道结（FTJs）成为可能。

不同于传统的隧道结，FTJ可以通过极化反转使得电子的势垒在高值和低值之间切换，实现隧道电阻的电开关，即隧道电阻（TER）。Zhuravlev等人建立起铁电性调制势垒宽度的FTJ开关机制。然而，在传统的金属/铁电/金属FTJs中这种调制会受到金属中短屏蔽长度所限制。

发明人发现如果使用半导体材料替代金属电极可以解决这个问题，当超薄铁电势垒极化反转时，由于铁电场效应作用半导体表面可以在多数载流子的积累和耗尽状态之间切换。因此，随着铁电势垒中势垒高度开关对极化反转响应，存在对势垒宽度的一个额外的调谐。如果半导体表面耗尽，隧穿电子必须经历在空间电荷区的一个额外的势垒。进而可以调节隧道结隧道电流的大小。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供一种铁电隧道结器件，使用半导体材料电极代替传统的金属电极，克服现有FTJ器件由于金属电极中屏蔽长度短的限制，实现大的开关比和长久的保持性。

本发明采用以下技术方案：

一种铁电隧道结器件，包括依次堆叠的一层N型半导体薄膜、一层铁电薄膜和一层P型半导体薄膜；其中N型半导体薄膜上连接有第一电极，而在P型半导体薄膜上连接有第二电极，并且第一电极和第二电极为同样的半导体材料基于不同的掺杂而形成，其中第一电极为P型半导体电极，第二电极为N型半导体电极。

从上述方案可以看出，依据本发明，使用半导体电极取代传统的金属电极，经验证，基于此方案，能够有效地克服传统金属电极器件由于金属电极屏蔽长度短的限制，能够实现大的开关比和长久的保持性。进一步地，两电极材料采用相同的半导体材料，从而，使得该结构中各层薄膜之间不会产生大的晶格失配，易于得到清晰的晶格界面。不同的掺杂在于电极与不同半导体薄膜的匹配连接。

上述铁电隧道结器件，所述铁电薄膜的厚度为1nm~3nm。

上述铁电隧道结器件，所述第二电极为一层体，叠装在所述P型半导体薄膜上；而所述第一电极为薄膜贴片，贴装在所述N型半导体上。

上述铁电隧道结器件， N型半导体薄膜、铁电薄膜和P型半导体薄膜有原子级得分界面，界面处的两种材料的原子间无相互扩散。

上述铁电隧道结器件，铁电薄膜与相邻的P型半导体薄膜及N型半导体薄膜的晶格常数相近，晶格常数差值比在±1%范围以内。

上述铁电隧道结器件，铁电薄膜与相邻的P型半导体薄膜及N型半导体薄膜的接触面的外延对应为沉积薄膜沿用衬底材料的晶格常数。 

附图说明

图1为N-type半导体/铁电/P-type半导体FTJ隧道结结构示意图。

01-Pt 上电极；02-N-type半导体；03-铁电极薄薄膜；04- P-type半导体；05-下电极；06-下电极引线；06-上电极引线

图2为N-type半导体/铁电/P-type半导体FTJ隧道结电阻-电压关系示意图。其中横轴表示器件所受的电压（标准化处理），纵轴表示器件的响应电阻，电压施加的过程为从负的最大电压，到0V，再到正的最大电压，到0V，最后回到负的最大电压。

图3为实施例一实验条件下制备的薄膜的剩余极化的厚度依赖曲线。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：