Resistive switching suppression in metal/Nb:SrTiO₃ Schottky contacts prepared by room-temperature pulsed laser deposition

Abstract

Abstract Deepening the understanding of interface-type resistive switching (RS) in metal/oxide heterojunctions is a key step for the development of high-performance memristors and Schottky rectifiers. In this study, we address the role of metallization technique by fabricating prototypical metal/Nb-doped SrTiO 3 (M/NSTO) Schottky contacts via pulsed laser deposition (PLD). Ultrathin Pt and Au electrodes are deposited by PLD onto single-crystal (001)-terminated NSTO substrates and interfacial transport is characterized by conventional macroscale methods and nanoscale Ballistic Electron Emission Microscopy. We show that PLD metallization gives Schottky contacts with highly reversible current-voltage characteristics under cyclic polarization. Room-temperature (RT) transport is governed by thermionic emission with Schottky barrier height <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>ϕ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mtext>B</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>Pt</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>NSTO</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>∼</mml:mo> <mml:mn>0.71</mml:mn> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.75</mml:mn> <mml:mstyle scriptlevel="0"/> <mml:mrow> <mml:mtext>eV</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> , <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>ϕ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mtext>B</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>Au</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>NSTO</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>∼</mml:mo> <mml:mn>0.70</mml:mn> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.83</mml:mn> <mml:mstyle scriptlevel="0"/> <mml:mrow> <mml:mtext>eV</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> and ideality factors as small as <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>Pt</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>NSTO</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>∼</mml:mo> <mml:mn>1.1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>Au</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>NSTO</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>∼</mml:mo> <mml:mn>1.6</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> . RS remains almost completely suppressed upon imposing broad variations of the Nb doping and of the external stimuli (polarization bias, working temperature, ambient air exposure). At the nanoscale, we find that both systems display high spatial homogeneity of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>ϕ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mtext>B</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mtext>⩽</mml:mtext> <mml:mstyle scriptlevel="0"/> <mml:mstyle scriptlevel="0"/> <mml:mn>50</mml:mn> <mml:mstyle scriptlevel="0"/> <mml:mrow> <mml:mtext>meV</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> ), which is only partially affected by the NSTO mixed termination ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>|</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>ϕ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mtext>B</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>M</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>SrO</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow>

Topics & Concepts