阻变存储器（RRAM）具有非破坏性读写、高存储密度和结构简单等优点，因此被认为是最具应用前景的新型非挥发性存储器之一。目前，对于RRAM，人们最关注的阻变性能就是开关比。虽然，已有研究结果表明，铁电薄膜与半导体所构成的异质结可以实现比较大的开关比。但是，即使是同一材料体系其开关比却有很大差异。这可能起因于异质结中的铁电薄膜的厚度。为此，我们采用化学溶液沉积法，在掺铌的钛酸锶 (Nb:STO, NSTO)单晶衬底上制备了锆钛酸铅 (Pb(Zr_0.4Ti_0.6)O₃, PZT) 铁电薄膜，并研究了PZT薄膜厚度对PZT/NSTO异质结的铁电阻变行为的影响（Fig. 1(a)）。结果显示，PZT薄膜的厚度可以有效地调控PZT/NSTO异质结的开关比（Fig. 1(b)）。当PZT薄膜的厚度为150 nm时，PZT/NSTO异质结的开关比最大，可以达到85000%以上。通过肖特基发射模型和半导体理论，我们计算了PZT/NSTO异质结的界面耗尽层的宽度和界面势垒，发现其不随PZT薄膜的厚度而变化，但是可以由铁电极化调控（Fig. 1(c)和(d)）。例如，当铁电极化向下（Pdown）时，内建电场（Ebi）和耗尽层宽度将减小（Fig. 1(c)），使电阻开关行为出现低阻态（LRS）。一方面，随着PZT薄膜厚度的减小，耗尽层所占薄膜厚度的比例增大，铁电极化的调控作用将减弱。另一方面，随着PZT薄膜厚度的增加，其导电性将减小，开关比也随之减小。因此，由于PZT薄膜的导电性和铁电性的相互制约，其厚度是决定开关比的一个关键因素。这一研究结果揭示了通过调控铁电薄膜的厚度，可以在铁电/半导体异质结中实现更大的开关比。研究结果已发表在ACS Applied Materials & Interfaces 8 (2016) 32948-32955。 

Fig.1 (a) Schematic of the Au/PZT/NSTO heterostructure under an applied electric field (DL represents “depletion layer”), (b) Maximum ON/OFF ratio of the PZT/NSTO heterostructure as a function of the PZT thickness, (c) and (d) Band structure diagrams for the PZT/NSTO heterostructure in the different states: (c) in the state of polarization downward (LRS), and (d) in the state of polarization upward (HRS).

Fig. 1 P-E hysteresis loops of the PZT/NSTO heterostructures with different PZT thicknesses.