Una unión túnel ferroeléctrica (FTJ) es una forma de unión túnel que incluye un material dieléctrico ferroeléctrico intercalado entre dos materiales conductores de electricidad. [1] Los electrones no pasan directamente a través de la unión, sino que atraviesan la barrera a través de un efecto túnel cuántico . La estructura es similar a la de un condensador ferroeléctrico , pero la capa ferroeléctrica se fabrica lo suficientemente delgada como para permitir una corriente de efecto túnel significativa. La magnitud de la corriente de efecto túnel se modifica mediante la polarización ferroeléctrica y está gobernada por la electroresistencia de efecto túnel (TER). [1]
Existen dos condiciones que deben cumplirse para fabricar un FTJ confiable: la capa FE debe tener un máximo de 3 nm para permitir la tunelización de electrones (ver sección tunelización), y las interfaces en ambos lados deben ser energéticamente asimétricas para obtener dos alturas de barrera de potencial separadas. [2]
Las uniones túnel ferroeléctricas se están desarrollando como un componente memristivo para la industria de semiconductores. A principios de 2024, las tecnologías basadas en FTJ no están disponibles comercialmente. Para permitir una probabilidad de tunelización suficiente, la capa ferroeléctrica debe ser lo suficientemente delgada (en la escala nanométrica), lo que hace que muchos materiales ferroeléctricos convencionales sean redundantes. Durante mucho tiempo se pensó que la ferroelectricidad como fenómeno desaparecía en los espesores necesarios para la tunelización, lo que obstaculizó la investigación en torno al tema hasta la década de 2000. Desde entonces, se ha demostrado una ferroelectricidad significativa en películas delgadas y se ha demostrado con éxito que las FTJ siguen el principio de funcionamiento propuesto. [2]
Si bien la mayoría de los materiales ferroeléctricos requieren altas temperaturas de fabricación, se ha demostrado que el óxido de hafnio de película delgada policristalino es ferroeléctrico incluso con temperaturas de fabricación compatibles con semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS) de extremo posterior, lo que hace que los FTJ sean especialmente interesantes para la industria de los semiconductores. [2]
El óxido de hafnio se deposita mediante deposición de capas atómicas (ALD) para permitir un crecimiento preciso que permita formar capas lo suficientemente delgadas. [2] Las uniones túnel ferroeléctricas han ganado un interés significativo debido a sus propiedades memristivas, así como a los voltajes operativos y métodos de fabricación compatibles con CMOS. Además de las uniones túnel ferroeléctricas, existen otros dispositivos ferroeléctricos, incluidos los condensadores ferroeléctricos (FeCAP), los transistores de efecto de campo ferroeléctricos (FeFET), la memoria de acceso aleatorio ferroeléctrica (FeRAM) [1] y las uniones túnel multiferroicas (MFTJ), que son uniones túnel ferroeléctricas con materiales ferromagnéticos como los dos electrodos. [3]
Las uniones túnel ferroeléctricas son dispositivos en los que la corriente que pasa por el dispositivo se puede controlar mediante el voltaje que pasa por él. Estos componentes memristivos utilizan el comportamiento ferroeléctrico para cambiar la probabilidad de tunelización a través del dispositivo.
En una explicación simple de la ferroelectricidad , los momentos dipolares eléctricos de las celdas unitarias cristalinas apuntan primero en direcciones aleatorias. A medida que se aplica un voltaje a través del material, estos momentos dipolares rotan para alinearse con el campo eléctrico inducido por la diferencia de voltaje. Una vez que el voltaje se reduce a cero, los momentos dipolares permanecen alineados con el campo anterior. La suma de los momentos dipolares individuales forma la polarización del material. En los materiales no ferroeléctricos, la polarización se relaja y vuelve a cero una vez que se reduce el voltaje; en los materiales ferroeléctricos, la polarización permanece. Cuando se aplica un voltaje de signo opuesto a través de la misma pieza de material ferroeléctrico, la polarización cambia para apuntar en la dirección opuesta. Nuevamente, la polarización permanece incluso después de que el campo se reduce a cero. Esto da como resultado un efecto de histéresis que se observa en la curva de polarización-campo eléctrico (PE). [4]
La modificación de la polarización ferroeléctrica del material afecta a la altura de la barrera de potencial en el dispositivo. La barrera de potencial influye en la probabilidad de tunelización y, por lo tanto, en la corriente medida, que puede utilizarse como memoria controlada por voltaje .
Como sugiere el nombre de unión de túnel ferroeléctrico, los dispositivos funcionan en base a un efecto túnel cuántico a través de una barrera. A medida que los electrones atraviesan la barrera, el movimiento resultante se puede medir en forma de corriente. La amplitud de la corriente está determinada por la probabilidad de efecto túnel.
En la interfaz de la barrera de potencial aislante, cuando la energía de la onda incidente es menor que la energía de la barrera, la función de onda se desintegra exponencialmente en el aislante. Dependiendo de la relación entre el espesor y la constante de desintegración del material, existe la posibilidad de que se produzca un efecto túnel a través del material, que se representa como el coeficiente de transmisión :
donde y son los bordes de la barrera de potencial, es la altura de la barrera de potencial en el punto , es la energía del electrón y es la masa del electrón.
Además de la tunelización directa, la tunelización de Fowler-Nordheim y la emisión termoiónica contribuyen significativamente a la corriente total en diferentes voltajes operativos. [1]
Hasta el momento, los FTJ son compatibles con el back-end de CMOS , mientras que la compatibilidad con el front-end aún está en desarrollo. Sin embargo, la compatibilidad con el back-end permite la integración de los FTJ en la tecnología actual de semiconductores de silicio con inversiones relativamente pequeñas en nueva infraestructura de fabricación. A medida que la informática, debido al surgimiento del aprendizaje automático y la inteligencia artificial , está pasando cada vez más de la informática centrada en la lógica a la informática centrada en la memoria, la investigación y el desarrollo de memorias no volátiles compatibles con CMOS rápidas, fiables y de bajo consumo energético son muy relevantes. [5]
Debido a la lectura no destructiva de la memoria no volátil implementada con FTJ, los componentes han ganado interés en el campo de la computación neuromórfica . Además, los FTJ exhiben un comportamiento como la conmutación acumulativa, lo cual es prometedor en las implementaciones de hardware de redes neuronales con picos . [5]
La existencia de capas interfaciales entre el metal y el material FE, también conocidas como capas muertas, provocan cambios en las características del dispositivo que afectan la funcionalidad del mismo. [2]
Además de las uniones de túnel ferroeléctricas, existen otros dispositivos más consolidados y emergentes basados en los mismos principios, entre los que se incluyen:
La estructura de la punta del microscopio de efecto túnel /aire/sustrato también se puede considerar como una unión túnel. Se han realizado algunas investigaciones con puntas de microscopios de efecto túnel en relación con la ferroelectricidad, para controlar el cambio de dominio con una punta de microscopio de efecto túnel. [6] Esta no es una unión túnel ferroeléctrica, ya que el material ferroeléctrico no funciona como barrera de potencial.
