α -In2Se3 based ferroelectric-semiconductor metal junction for non-volatile memories

铁电性 半导体 范德瓦尔斯力 材料科学 肖特基势垒 泊松方程 凝聚态物理 光电子学 异质结 非易失性存储器 物理 量子力学 二极管 分子 电介质
作者
Atanu Saha,Mengwei Si,Peide D. Ye,Sumeet K. Gupta
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:117 (18) 被引量:32
标识
DOI:10.1063/5.0021395
摘要

In this work, we theoretically and experimentally investigate the working principle and nonvolatile memory (NVM) functionality of a 2D α-In2Se3-based ferroelectric-semiconductor-metal-junction (FeSMJ). First, we analyze the semiconducting and ferroelectric properties of the α-In2Se3 van der Waals (vdW) stack via experimental characterization and first-principles simulations. Then, we develop a FeSMJ device simulation framework by self-consistently solving the Landau–Ginzburg–Devonshire equation, Poisson's equation, and charge-transport equations. Based on the extracted Fe-semiconductor (FeS) parameters, our simulation results show good agreement with the experimental characteristics of our fabricated α-In2Se3-based FeSMJ. Our analysis suggests that the FeS polarization-dependent modulation of Schottky barrier heights of FeSMJ plays a key role in providing the NVM functionality. Besides, the appearance of mobile carriers in FeS due to its semiconducting properties leads to a non-uniform electric field. This further induces partial polarization switching in the FeS layers, resulting in asymmetry in the FeSMJ characteristics for positive and negative voltages. Moreover, we show that the thickness scaling of FeS leads to a reduction in read/write voltage and an increase in distinguishability. Array-level analysis of FeSMJ NVM suggests a lower read-time and read-write energy with respect to the HfO2-based ferroelectric insulator tunnel junction.
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