Ferroelectric control of charge transport in the Rashba semiconductor GeTe

The present thesis work deals with the demonstration of the electric control of charge transport in germanium telluride (GeTe), the father compound of the recently discovered class of materials known as FErroelectric Rashba SemiConductors (FERSCs). Ferroelectricity is the intrinsic variable, which permits to generate and drive a bulk Rashba spin-splitting of the electronic bands, the spin in each Rashba sub-band can be reversed by switching the direction of the ferroelectric polarization. Moreover, the switchable polarization charge allows to modify the band alignment at the semiconductor interfaces. In this way, the multifunctional character of FERSCs would enable both spin and charge transport control by ferroelectricity. While the experimental proof of the ferroelectricity dependency of the spin texture has been recently provided, nothing is known concerning the possibility to modulate the charge transport. Despite the common belief that ferroelectric switching cannot happen in semiconductors, its evidence through macroscopic gating is provided for the first time in this work by imaging domain formation underneath the electrode by Piezoresponse Force Microscopy (PFM). Then, the demonstration that the microscopic distribution of ferroelectric domains underneath the gate is reported, it directly correlates with the resistivity of metal-GeTe junctions. The resistivity change is due to the band bending at the interface caused by the screening of the polarization charge, positive or negative for the two opposite ferroelectric remanent states. Thus, the ferroelectric switching in GeTe heterojunctions is shown to result in a resistance modulation up to 300%. The ferroelectric-driven resistive switching is robust, with an endurance up to 10^4 cycles. Minor loops permit to obtain the quasi-continuous resistance variation typical of memristors. A preliminary model of the band bending at the metal-semiconductor interface versus sign of the polarization vector is provided. This work paves the way to non-volatile reconfigurable devices allowing for purely electrical control of both conductivity and spin within a semiconductive platform compatible with silicon electronics.

Il presente lavoro di tesi si propone di dimostrare la possibilità di controllo elettrico del trasporto di carica nel germanio tellurio (GeTe), capostipite della classe di materiali multifunzionali detti FErroelectric Rashba SemiConductors (FERSCs). La ferroelettricità è la variabile intrinseca che permette di generare un bulk Rashba spin-splitting delle bande elettroniche e la possibilità di invertire la sua polarizzazione permette di modificare l'allineamento delle bande alle interfacce del semiconduttore. Così, il carattere multifunzionale dei FERSCs abiliterebbe il controllo del trasporto sia di spin che di carica attraverso la ferroelettricità. Mentre è già stata dimostrata la dipendenza della spin texture dalla ferroelettricità, non è mai stato studiato il controllo del trasporto di carica. Nonostante la concezione vigente ritenga impossibile l'inversione ferroelettrica in semiconduttori, ne viene mostrata per la prima volta la possibilità attraverso un gating macroscopico visualizzando la formazione di domini sotto l'elettrodo con la tecnica di microscopia a risposta piezoelettrica (PFM). Viene poi dimostrato come la distribuzione a livello microscopico di domini ferroelettrici sotto il contatto di gate sia direttamente correlata alla resistività della giunzione metallo-GeTe. Il cambio di resistività è dovuto al diverso piegamento delle bande all'interfaccia del semiconduttore causato dallo screening della carica di polarizzazione (positiva o negativa) per i due stati ferroelettrici in rimanenza. L'inversione ferroelettrica in strutture basate su GeTe offre una modulazione della resistenza del 300%. L'inversione è robusta, con una durata di 10^4 cicli. Cicli ferroelettrici minori permettono di ottenere una quasi-costante variazione della resistenza, tipica dei memristori. Infine, viene presentato un modello preliminare del piegamento delle bande all'interfaccia del semiconduttore rispetto al segno del vettore polarizzazione. Questo lavoro apre la via a dispositivi non volatili riprogrammabili, permettendo un controllo puramente elettrico della conduttività e dello spin in una piattaforma metallo-semiconduttore compatibile con l'elettronica su silicio.