Hoe een schuivende ferro-elektrische tunneljunctie een sterk uitleessignaal kreeg

Een geheugencel is pas bruikbaar als niet alleen het schakelen werkt, maar ook duidelijk is welke toestand is opgeslagen. Dat was een knelpunt bij schuivende ferro-elektrische materialen: ze kunnen vaak omschakelen, maar hun zwakke elektrische polarisatie levert in een apparaat met twee aansluitingen een lastig uitleesbaar verschil op. Onderzoekers van het Instituut voor Halfgeleiders van de Chinese Academie van Wetenschappen en de Universiteit van Hongkong pakten dat probleem aan door de grensvlakken in een gelaagde tunneljunctie te ontwerpen. 810

Drie lagen, elk met een eigen taak

De onderzoekers bouwden een junctie met de opbouw Cr/h-BN/3R-MoS₂/enkellaags grafeen. Het hexagonale boornitride (h-BN) vormt een betrekkelijk gelijkmatige tunnelbarrière die lekstroom beperkt. In 3R-MoS₂ verschuiven de lagen heel licht ten opzichte van elkaar. Daardoor keert de elektrische polarisatie om en verandert de barrière die elektronen bij het tunnelen ervaren. Het grafeen schermt die polarisatie maar zwak af: ook het aantal ladingsdragers dat aan het tunnelen deelneemt, verandert mee. Zo leidt een kleine verandering in het materiaal tot een veel groter verschil tussen de twee uitleestoestanden. De onderzoekers pasten dezelfde ontwerpaanpak ook toe op 1T′-ReS₂. 89

De laag die schakelt en de laag die de tunnelbarrière levert, hebben dus afzonderlijke functies. Daarmee konden de onderzoekers een sterk uitleessignaal nastreven zonder het gerapporteerde voordeel van schuivende polarisatie — een hoge bestendigheid tegen herhaald schakelen vergeleken met conventionele ferro-elektrische oxiden — op te geven. 89

Wat is gemeten?

Bij een uitleesspanning van 0,5 volt rapporteerde het team een tunneling-elektroweerstandsverhouding van 1,9 × 10⁷, oftewel 19 miljoen. Volgens de berichtgeving over het onderzoek is dat meer dan vier ordes van grootte hoger dan bij eerder gerapporteerde schuivende ferro-elektrische tunneljuncties. De stroomdichtheid in de geleidende toestand bereikte 222 A/cm². Het apparaat schakelde betrouwbaar met pulsen van slechts 13 nanoseconden, bij een gerapporteerd energieverbruik van 6,5 femtojoule per bit, en doorstond meer dan 10¹¹ schakelcycli. 10

Ook maakten de onderzoekers een 8 × 8-opstelling. Alle 64 cellen lieten een consistente omschakeling tussen twee stabiele toestanden zien, waarbij de gekozen toestand behouden blijft zonder stroom. Dat is een stap richting niet-vluchtig geheugen en systemen waarin geheugen en berekeningen in een kruisnetwerk van cellen worden gecombineerd. Hoe een veel grotere opstelling, inclusief de benodigde ondersteunende elektronica, presteert, blijkt nog niet uit deze demonstratie. 1011