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Ferroelectric tunnel junctions based on a HfO2/dielectric composite barrier

电介质 铁电性 材料科学 复合数 铁电陶瓷 介电常数 复合材料 凝聚态物理 光电子学 物理
作者
Zhijun Wu,Tianpeng Duan,Zhihong Tian,Yongheng Jiang,Zhou Yi-chun,Jie Jiang,Qiong Yang
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:125 (11) 被引量:2
标识
DOI:10.1063/5.0216890
摘要

The ferroelectric tunnel junction (FTJ), which possesses a simple structure, low power consumption, high operation speed, and nondestructive reading, has attracted great attention for the application of next-generation nonvolatile memory. The complementary metal–oxide–semiconductor-compatible hafnium oxide (HfO2) ferroelectric thin film found in the recent decade is promising for the scalability and industrialization of FTJs. However, the electric performance, such as the tunneling electroresistance (TER) effect, of the current HfO2-based FTJs is not very satisfactory. In this work, we propose a type of high-performance HfO2-based FTJ by utilizing a ferroelectric/dielectric composite barrier strategy. Using density functional theory calculations, we study the electronic and transport properties of the designed Ni/HfO2/MgS/Ni (001) FTJ and demonstrate that the introduction of an ultra-thin non-polar MgS layer facilitates the ferroelectric control of effective potential barrier thickness and leads to a significant TER effect. The OFF/ON resistance ratio of the designed FTJ is found to exceed 4 × 103 based on the transmission calculation. Such an enhanced performance is driven by the resonant tunneling effect of the ON state, which significantly increases transmission across the FTJ when the ferroelectric polarization of HfO2 is pointing to the non-polar layer due to the aroused electron accumulation at the HfO2/MgS interface. Our results provide significant insight for the understanding and development of the FTJs based on the HfO2 ferroelectric/non-polar composite barrier.
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