Ru and RuO2 as bottom electrodes for HZO based FTJ’s

Sammanfattning: Vår hjärna löser beräkningar som tar oss genom livet otroligt energieffektivt; den kör hela dagen runt på ungefär 12 watt. Jämför man med en vanlig dator som kräver ungefär 175 watt så är det inte ens nära[2]. Att uppnå hjärnans energieffektivitet är ett ambitiöst mål för dagens elektronik. Tricket ligger i att efterlikna hjärnans struktur och uppbyggnad med elektroniken. Detta forskningsområde kallas neuromorphic electronics, och är ett hett område just nu. Hjärnan är ett flexibelt organ, med möjligheter att anpassa sig till nya situationer. Synapserna, som binder ihop alla hjärnans neuron till ett stort nätverk, är nyckelen till detta. De kan, beroende på storleken och frekvensen av signaler de tar emot, skapa svagare eller starkare förbindelser mel- lan neuronen. Att bygga något som följer samma princip hade varit ett stort steg i att konstruera en artificiell hjärna. En komponent som visat potential till att lösa denna uppgift är en FTJ; en Ferroelectric Tunnel Junction. Det är ett relativt simpelt koncept som efterliknar en smörgås, man har ett tunt lager ferroelektriskt material(pålägget) mellan två elektroder(brödet). Målet är att kunna styra hur många elektroner som kan tunnla igenom lagret och bidra till strömmen som går igenom FTJ’n, och detta kan göras tack vare det ferroelektriska materialet. Ett ferroelektriskt material kan ändra sin polarisation under ett elektriskt fält, och behåller en del av polarisationen när fältet slås av. Detta är en värdefull egenskap. Polarisationen i den tunna filmen kommer då ses som ytladdningar som måste kompenseras av laddningar i elektroderna. Har man en asymmetri mel- lan elektroderna (olika laddningsbärardensitet eller arbetsfunktion) så kommer ytladdningarna kompenseras olika. Då skapas två olika barriärer för elektronerna att tunnla igenom beroende på vilket håll polarisationen pekar åt. Den ena barriären är hög, den andra är låg. Men det behöver inte nödvändigtvist vara så binärt, utan man kan ha en stor mängd olika bar- riärshöjder beroende på styrkan och frekvensen av det elektriska fältet man lägger på. Det är denna egenskap som tillåter FTJ’n att bete sig som en synaps i din hjärna. Svårigheter med att konstruera FTJ’er idag är att de ferroelektriska lagren har låg polarisation vid tunna lager, och att de har låg uthållighet och lätt går sönder efter att ha cyklats mycket. Materialet hafnium-zirkonum-oxid (HZO) visar mest potential just nu, men har låg uthållighet på grund av defekter. En nytt material som föreslagits som elektrod i en HZO-baserad FTJ är rutenium (Ru) och ruteniumoxid (RuO2).Dessa material kan i teorin motverka dessa defekter och förbättra uthålligheten, vilket hade tillåtit HZO-baserade FTJ’er att komma ett steg närmre en spännande framtid. 2