申婧翔，史莉莉

（長(zhǎng)治學(xué)院化學(xué)系，山西長(zhǎng)治046011）

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氧空位對(duì)Ag/Nb:SrTiO3/Au雙肖特基結(jié)阻變行為的影響

申婧翔，史莉莉

（長(zhǎng)治學(xué)院化學(xué)系，山西長(zhǎng)治046011）

將0.5wt%Nb:SrTiO3（NSTO）單晶襯底在不同含氧量的氣氛中進(jìn)行退火處理，得到含有不同氧空位濃度的襯底表面。利用紫外光刻蝕技術(shù)和磁控濺射薄膜沉積技術(shù)在含不同氧空位濃度的NSTO表面沉積金屬Ag和Au電極構(gòu)成三明治的Ag/NSTO/Au結(jié)構(gòu)器件，并進(jìn)行電學(xué)性能和阻變性能測(cè)試表征。結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)控氧空位的濃度，可以改變肖特基勢(shì)壘寬度和高度，從而改善Ag/NSTO/Au器件的阻變性能。

氧空位；電子；肖特基勢(shì)壘；阻變效應(yīng)；

1　引言

隨著電子產(chǎn)品的不斷改善，人們對(duì)其存儲(chǔ)速度、密度、功耗等存儲(chǔ)性能以及成本方面的要求隨之變得日益強(qiáng)烈。在這些需求的強(qiáng)烈驅(qū)動(dòng)下，相繼出現(xiàn)了鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）、相變存儲(chǔ)器（PRAM）、磁存儲(chǔ)器（MRAM）和阻變存儲(chǔ)器（RRAM）等四大類非揮發(fā)性存儲(chǔ)器件。與其它幾類非揮發(fā)性存儲(chǔ)器件相比，RRAM具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸可縮小、功耗低、操作速度快、存儲(chǔ)密度高、保持性能優(yōu)越以及與CMOS工藝兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，有望成為下一代非揮發(fā)性存儲(chǔ)器件的有力競(jìng)爭(zhēng)者[1-2]。

RRAM器件單元具有簡(jiǎn)單的三明治結(jié)構(gòu)，由金屬-絕緣體-金屬或者金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIM或者M(jìn)IS）構(gòu)成。金屬或者半導(dǎo)體分別用做頂電極和底電極，中間的絕緣體做阻變層材料。其中，能夠用于阻變器件的材料種類繁多，如有機(jī)材料、二元氧化物、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的三元化合物和固態(tài)電解質(zhì)材料等。在上述阻變材料中，由金屬與n型或p型半導(dǎo)體（多為過(guò)渡金屬氧化物）構(gòu)成肖特基結(jié)的阻變存儲(chǔ)器件，如M/SrTiO3、M/La0.7Sr0.3MnO3（M=Au，Pd，Ni）以及Ti/Pr0.7Ca0.3MnO3[3-6]等的研究吸引了大量研究人員的注意。這些材料的共同點(diǎn)是均含有氧元素，在制備過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生缺氧和富氧兩種情況，導(dǎo)致空穴或者電子對(duì)摻雜氧化物的形成，改變肖特基勢(shì)壘的高度和寬度[7]，從而影響器件的阻變效應(yīng)。R.Yang[8]等人的研究發(fā)現(xiàn)基于結(jié)構(gòu)Ag-Al合金/La0.67Ca0.33MnO3的阻變存儲(chǔ)器件的阻變性能要優(yōu)于結(jié)構(gòu)Ag/La0.67Ca0.33MnO3和結(jié)構(gòu)Ag/La0.67Ca0.33MnO3。這些研究表明，金屬電極的種類及其與半導(dǎo)體的接觸界面對(duì)阻變存儲(chǔ)器件性能的影響不可忽略。

2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

文章選用3片0.5wt%Nb:SrTiO3單晶體作為襯底，置于丙酮中超聲清洗干凈后取其中兩片襯底分別置于750℃的真空和750℃的空氣氣氛中進(jìn)行退火處理30 min。另一片襯底則不做任何處理，分別將它們標(biāo)記為真空-NSTO，空氣-NSTO 和non-NSTO。之后，采用紫外光刻蝕技術(shù)和磁控濺射技術(shù)在這三片襯底上分別沉積圓形金屬薄膜Ag和Au做為金屬頂電極和底電極，其厚度約為150 nm，面積大小約為1 mm2，構(gòu)成Ag/NSTO/Au三明治結(jié)構(gòu)的雙肖特基結(jié)存儲(chǔ)器件，如圖1所示。并利用KEITHLEY2400和KEITHLEY2000提供電壓電流源進(jìn)行I-V和阻變性能的測(cè)試表征。

圖1　Ag/Nb:SrTiO3/Au結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器件

3　結(jié)果與分析

（1）I-V測(cè)試

在常溫下，分別對(duì)真空-NSTO，空氣-NSTO和non-NSTO處理后的NSTO所構(gòu)成Ag/Nb:SrTiO3/Au的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行I-V掃描測(cè)試，所施電壓極性如圖1所示，并按0V→+2V→0V→-2V→0V的方式和大小進(jìn)行I-V掃描。所得I-V曲線如圖2所示。標(biāo)號(hào)1、2、3分別對(duì)應(yīng)于真空-NSTO、non-NSTO和空氣-NSTO所構(gòu)成Ag/Nb:SrTiO3/Au器件結(jié)構(gòu)的I-V特性曲線，其中內(nèi)框圖為所對(duì)應(yīng)的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的I-V曲線。

圖2　真空-NSTO、non-NSTO和空氣-NSTO條件下Ag/NSTO/ Au的I-V特性，內(nèi)框圖為其相對(duì)應(yīng)的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的I-V曲線

圖3　在低阻態(tài)時(shí)Ag/NSTO/Au器件耗盡層厚度與氧空位濃度的關(guān)系（a）真空-NSTO，（b）non-NSTO，（c）空氣-NSTO

由圖2可知，3條曲線高、低阻態(tài)之間的電阻比值有明顯的差異，即阻變窗口大小有明顯差別，其中曲線1最大，曲線3最小。這可能是由金屬電極與NSTO接觸界面所含的氧空位濃度不同而引起的。由于氧空位濃度在相同的退火溫度下會(huì)隨著氣氛中氧含量的增加而減小，在相同的退火氣氛中隨著退火溫度的升高而降低[9]，所以這三者的氧空位濃度按真空-NSTO、non-NSTO和空氣-NSTO的順序依次減小。金屬電極Ag和Au的功函數(shù)分別為4.26eV和5.1eV，與n型半導(dǎo)體NSTO接觸時(shí)分別構(gòu)成Ag/NSTO和Au/NSTO兩個(gè)肖特基結(jié)，其中功函數(shù)較大的Au與NSTO構(gòu)成的肖特基結(jié)對(duì)阻變效應(yīng)的貢獻(xiàn)占有主導(dǎo)作用。當(dāng)Ag/NSTO/Au處于低阻態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的電流大小主要由電子隧穿效應(yīng)決定[10]，即由肖特基勢(shì)壘的寬度（Wd）決定，它隨氧空位濃度的變化如下圖3所示。（a）、（b）、（c）分別代表真空-NSTO、non-NSTO和空氣-NSTO三器件在正電場(chǎng)作用下Wd的變化，其氧空位濃度大小順序?yàn)椋╝）＞（b）＞（c），隨著氧空位濃度的增加，Au/NSTO肖特基結(jié)界面處的Wd隨之越來(lái)越薄，隧穿電流也就越來(lái)越大，所以三者電流大小順序?yàn)椋╝）＞（b）＞（c）。當(dāng)Ag/NSTO/Au處于高阻態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的電流大小主要由肖特基勢(shì)壘高度（qVD）決定，如圖4所示，qVD為肖特基勢(shì)壘高度，氧空位濃度越大者在施加反向電場(chǎng)時(shí)捕獲電子數(shù)目越多，致使NSTO能帶彎曲越嚴(yán)重，界面所產(chǎn)生的qVD越大，電子越過(guò)勢(shì)壘繼續(xù)流入金屬的數(shù)目越小，所產(chǎn)生的電流大小順序?yàn)椋╠）＜（e）＜（f）。綜上所述，氧空位濃度越大的器件在高、低阻態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中所產(chǎn)生的電流比值越大，阻變窗口也就越大。

圖4　在高阻態(tài)時(shí)Ag/NSTO/Au器件肖特基勢(shì)壘高度與氧空位濃度的關(guān)系（d）真空-NSTO，（e）non-NSTO，（f）空氣-NSTO

（2）保持性能測(cè)試

為進(jìn)一步驗(yàn)證氧空位濃度對(duì)Ag/Nb:SrTiO3/Au存儲(chǔ)器件的阻變影響，分別測(cè)定了真空-NSTO和空氣-NSTO兩器件15000 s內(nèi)在讀取電壓為+0.2 V下的保持性能，如圖5所示分別截取了兩器件在10000 s～15000 s內(nèi)高、低阻態(tài)之間阻值的變化。圖5（a）和5（b）分別對(duì)應(yīng)于器件真空-NSTO和空氣-NSTO。由圖可得兩器件在15000 s內(nèi)高、低阻態(tài)的阻值變化都很穩(wěn)定，均表現(xiàn)出了良好的保持性能。但是，從圖中也不難得出真空-NSTO和空氣-NSTO的高、低阻態(tài)之間的比值不同，分別約為1000和2。這正是兩器件的氧空位濃度不同而導(dǎo)致在外加電壓作用下的肖特基勢(shì)壘高度變化不同引起的，與I-V測(cè)試結(jié)果相吻合。

圖5　Ag/NSTO/Au結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器件在不同退火條件下的保持特性（a）真空-NSTO（b）空氣-NSTO

4　結(jié)論

通過(guò)退火處理的方式，制備了不同氧空位濃度的Ag/NSTO/Au的存儲(chǔ)器件，對(duì)其I-V性能和保持性能的測(cè)試表明，不同氧空位濃度的器件在極性外加電壓的作用下，捕獲或釋放電子，導(dǎo)致肖特基勢(shì)壘高度和寬度的該變量不同，從而引起阻變性能的變化。所以，通過(guò)調(diào)控氧空位的濃度，可以改善Ag/NSTO/Au器件的阻變性能。

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（責(zé)任編輯王璟琳）

Shen Jing-xiang，Shi Li-li
（Chemistry Department of Changzhi University,Changzhi Shanxi 046011）

O472

A

1673-2014（2016）02-0010-04

2016—01—12

申婧翔（1987—），女，山西長(zhǎng)治人，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，主要從事光電器件及水污染處理研究。