Semiconducting TiO2 for High Performance Ferroelectric Tunnel Junctions
(2022) EITM01 20221Department of Electrical and Information Technology
- Abstract
- The ferroelectric tunnel junction FTJ is a rather old concept but has recently been in the spotlight for its promising properties in computer memory technology and neuromorphic computing. The device consists of a ferroelectric insulator sandwiched between two electrodes, and by polarisation switching the resistance along the heterostructure can drastically be adjusted.
The optimisation possibilities of the FTJ are extensive as new materials and processing methods are constantly being discovered. In this thesis, FTJ components will be processed, and an interfacial layer of TiO2 will be deposited using plasma-enhanced atomic layer deposition between a ferroelectric hafnium zirconate (HZO) layer and electrode to investigate its effect on... (More) - The ferroelectric tunnel junction FTJ is a rather old concept but has recently been in the spotlight for its promising properties in computer memory technology and neuromorphic computing. The device consists of a ferroelectric insulator sandwiched between two electrodes, and by polarisation switching the resistance along the heterostructure can drastically be adjusted.
The optimisation possibilities of the FTJ are extensive as new materials and processing methods are constantly being discovered. In this thesis, FTJ components will be processed, and an interfacial layer of TiO2 will be deposited using plasma-enhanced atomic layer deposition between a ferroelectric hafnium zirconate (HZO) layer and electrode to investigate its effect on the performance. Here, the ALD deposition conditions will be altered as well as the TiO2 layer thickness and placement in the heterostructure. Firstly, the TiO2 deposition technique will be studied to help understand the impact of the TiO2 layer.
Several FTJs were fabricated and characterised. The highest remnant polarisation displayed in this thesis was 13.52 mu C/cm with an asymmetric coercive field of -1.7 and 0.9 MV/cm. The TER of the FTJ was 2.9. However, the tool used for HZO deposition was not working correctly during this thesis, but qualitative conclusions could still be made. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Ferroelektricitet upptäcktes först 1921 av professorn Joseph Valasek i kaliumnatriumtartrat, ett ämne som är mer känt som "Rochelle salt". Valasek beskrev likheten mellan ferroelektricitet och det redan då väl beskrivna ferromagnetismen. Likt ferromagnetiska material och deras permanenta magnetiska poler uppvisar ferroelektiska material en permanent elektrisk polarisation, en separation av laddningar. På samma sätt som en magnet har en syd- och nordpol, har ferroelektiska material en positiv och en negativ elektriskt laddad pol. Valasek lyckades definiera karakteristiken hos ferroelektriska material långt innan man upptäckte nyttan av dem. Sedan dess har ferroelektriska material funnit sin väg in bland en uppsjö av olika applikationer... (More)
- Ferroelektricitet upptäcktes först 1921 av professorn Joseph Valasek i kaliumnatriumtartrat, ett ämne som är mer känt som "Rochelle salt". Valasek beskrev likheten mellan ferroelektricitet och det redan då väl beskrivna ferromagnetismen. Likt ferromagnetiska material och deras permanenta magnetiska poler uppvisar ferroelektiska material en permanent elektrisk polarisation, en separation av laddningar. På samma sätt som en magnet har en syd- och nordpol, har ferroelektiska material en positiv och en negativ elektriskt laddad pol. Valasek lyckades definiera karakteristiken hos ferroelektriska material långt innan man upptäckte nyttan av dem. Sedan dess har ferroelektriska material funnit sin väg in bland en uppsjö av olika applikationer såsom energiförvaring, sensorer, och ljusavledare.
Även i minnesteknologin har ferroelektriciteten hittat sin plats. Här används laddningsseparationen för att definiera de tillstånd som används vid lagring av data. Här finns det olika möjligheter men fokus i denna uppsats kommer att ligga på the ferroelectric tunnel junction, förkortat FTJ, som inte riktigt har en bra svensk översättning. I namnet finner vi ordet "tunnel" vilket refererar till det kvantfysikaliska fenomenet "tunneling" som beskriver små partiklars möjlighet att röra sig igenom material av "högre potential". Detta kan liknas med att en boll kastas mot en vägg men istället för att studsa tillbaka hittar vi istället bollen i rummet bakom.
FTJ:n är en elektronisk komponent på nano/mikro skalan som endast består av ett tunt lager av material med ferroelektriska egenskaper som är placerat mellan två elektroder. laddningseparationen, den ferroelektriska dipolen, i det ferroelektriska materialet påverkar den elektroniska uppsättningen i de två elektroderna. Den positiva polen attraherar elektroner och repellerar elektronhål (den positiva motsvarigheten till elektroner). Den negativa polen gör tvärtom. Den elektroniska uppsättningen är viktig för laddningsbärarnas (elektroner och elektronhål) möjlighet att tunnla igenom strukturen. Detta har en direkt påverkan på den ström som kan dras när en spänning placeras över strukturen. Genom att byta håll på den ferroelektriska dipolen kan man påverka den ström som fås. Detta kräver att de elektroder som används påverkas olika mycket av dipolen. Vi får därmed en kontrast i strömmen och två olika minnestillstånd kan representeras. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9093738
- author
- Wikare, Erik LU
- supervisor
-
- Mattias Borg LU
- organization
- course
- EITM01 20221
- year
- 2022
- type
- M1 - University Diploma
- subject
- report number
- LU/LTH-EIT 2022-883
- language
- English
- id
- 9093738
- date added to LUP
- 2022-06-28 14:00:10
- date last changed
- 2022-06-28 14:00:10
@misc{9093738,
abstract = {{The ferroelectric tunnel junction FTJ is a rather old concept but has recently been in the spotlight for its promising properties in computer memory technology and neuromorphic computing. The device consists of a ferroelectric insulator sandwiched between two electrodes, and by polarisation switching the resistance along the heterostructure can drastically be adjusted.
The optimisation possibilities of the FTJ are extensive as new materials and processing methods are constantly being discovered. In this thesis, FTJ components will be processed, and an interfacial layer of TiO2 will be deposited using plasma-enhanced atomic layer deposition between a ferroelectric hafnium zirconate (HZO) layer and electrode to investigate its effect on the performance. Here, the ALD deposition conditions will be altered as well as the TiO2 layer thickness and placement in the heterostructure. Firstly, the TiO2 deposition technique will be studied to help understand the impact of the TiO2 layer.
Several FTJs were fabricated and characterised. The highest remnant polarisation displayed in this thesis was 13.52 mu C/cm with an asymmetric coercive field of -1.7 and 0.9 MV/cm. The TER of the FTJ was 2.9. However, the tool used for HZO deposition was not working correctly during this thesis, but qualitative conclusions could still be made.}},
author = {{Wikare, Erik}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Semiconducting TiO2 for High Performance Ferroelectric Tunnel Junctions}},
year = {{2022}},
}