Modeling of current transport in ferroelectric tunnel junctions based on the Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3 stack

Ferroelectric Tunnel Junctions (FTJ) are considered to be one of the most promising next-generation solid-state memory devices. Nowadays, a great amount of effort is being put by the research community to investigate the basic physics, the reliability and the operation of this particular device category. Among all the different FTJ structures, the one based on the Pt/BaTiO3(BTO)/Nb:SrTiO3(Nb:STO) stack is the most investigated, due to its great performance. Despite of their great popularity, this family of devices has been addressed only through empirical analyses that limited the complete comprehension of the physics involved. Only approximated and qualitative modeling activities were carried out, neglecting various physical phenomena that instead are peculiar of this material stack and must be taken into account. In this thesis work, the first quantitative, accurate and semi-analytical model for FTJs based on the Pt/BTO/Nb:STO stack is proposed. The aim of the model is to reproduce IV and CV characteristics of these devices, measured during reading operations performed at low voltages. Various peculiar effects, that were always neglected during device modeling, such as Nb:STO paraelectricity or BTO dielectric constant thickness dependence, were instead carefully taken into account in this work for the first time. The matching between simulations and measured curves is great, confirming that the considered model is correct. Simulations made possible also to extract for the first time some trends for material parameters in a range that was never explored, giving some insight for future study of the materials composing this particular stack. For the first time, device optimization was addressed considering a quantitative model, confirming that a low Nb concentration in the substrate is favourable, while the BTO layer thickness is not influent for device operation. This thesis work represents an important contribution for FTJ investigation and optimization and could be influent in driving the future development of this technology.

I dispositivi Ferroelectric Tunnel Junctions (FTJ) sono considerati tra i più promettenti dispositivi di memoria a stato solido di nuova generazione. Ad oggi, molti sforzi sono stati riposti da parte della comunità di ricerca nell'investigazione della fisica di base, dell'affidabilità e del funzionamento di questa particolare classe di dispositivi. Tra tutte le strutture FTJ, quella basata sullo stack Pt/BaTiO3(BTO)/Nb:SrTiO3(Nb:STO) è quella più investigata grazie alle sue buone prestazioni. Nonostante godano di una certa popolarità, questa famiglia di dispositivi è stata studiata solamente tramite discussioni basate su dati empirici, che hanno limitato di molto la comprensione completa dei fenomeni fisici in gioco. Le attività di modellistica condotte fino ad oggi si sono limitate a considerare modelli qualitativi e approssimati, trascurando numerosi fenomeni fisici peculiari di questo particolare stack di materiali, i quali vanno al contrario presi in considerazione. In questo lavoro di tesi è stato proposto il primo modello quantitativo, accurato e semi-analitico per FTJ basate sullo stack Pt/BTO/Nb:STO. L'obiettivo del modello è di riprodurre caratteristiche IV e CV misurate durante le operazioni di lettura, eseguite a bassa tensione applicata. Numerosi effetti peculiari, i quali sono sempre stati trascurati nelle precedenti discussioni modellistiche, come la paraelettricità del Nb:STO oppure la dipendenza dallo spessore dello strato della costante dielettrica del BTO, sono stati invece considerati per la prima volta in questo lavoro. Le simulazioni e le curve misurate sperimentalmente sono in accordo, confermando la correttezza del modello considerato. Le simulazioni hanno permesso di estrarre alcuni trend per alcuni parametri del dispositivo, in un intervallo che non era mai stato considerato prima, dando una panoramica di questi ultimi per un futuro studio dei materiali che compongono questo particolare stack. Per la prima volta, l'ottimizzazione del dispositivo è stata eseguita considerando un modello quantitativo, confermando che la bassa concentrazione di Nb nel substrato è favorevole, mentre lo spessore del BTO ferroelettrico non è influente per le operazioni. Questo lavoro di tesi rappresenta un importante contributo per l'investigazione dei dispositivi FTJ e potrebbe essere influente nel guidare lo sviluppo futuro di questa tecnologia.