王英 黃慧香 黃香林 郭婷婷

(長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710061)

1 引言

隨著云計算和人工智能的快速發(fā)展,傳統(tǒng)非易失性存儲器中最具代表的閃存(flash)正面臨著工藝逼近物理極限的問題,即將不能滿足人類對存儲器小型化、高存儲密度和低功耗的需求[1-4].因此,迫切需要開發(fā)下一代非易失性存儲器.阻變存儲器(resistance random access memory,RRAM)因其結(jié)構(gòu)簡單、存儲密度高以及與互補金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary mental oxide semiconductor,CMOS)工藝相兼容等優(yōu)點,使其成為一種很有發(fā)展?jié)摿Φ南乱淮且资源鎯ζ?能夠有效解決傳統(tǒng)存儲器所遇到的瓶頸問題[5-9].RRAM 具有簡單的金屬/絕緣層/金屬(MIM)三明治型結(jié)構(gòu),在RRAM 中,需要具有不同極性或幅度的高電壓來進行寫入(設(shè)置)或擦除(重置)操作,而低電壓用于讀取器件的電阻狀態(tài)[10].目前,已經(jīng)在很多種材料中發(fā)現(xiàn)了阻變現(xiàn)象,如TiO2[11],ZnO[12],HfO2[1,13]等氧化物材料，有機材料[14]以及鈣鈦礦材料[15,16].

在以上這些材料中,HfO2材料因具有高介電常數(shù)、大禁帶寬度(～5.9 eV)、低漏電流密度和良好的阻變特性,被科研人員譽為最有潛力的阻變材料之一.對于氧化物基RRAM 的阻變行為,目前已經(jīng)提出了各種電阻切換物理模型,例如金屬或氧空位導(dǎo)電細絲的形成和破裂和界面處的電化學(xué)遷移.盡管確切的切換機制尚未統(tǒng)一,目前最被廣泛接受的阻變機制是導(dǎo)電細絲機制.正是因為導(dǎo)電細絲形成和斷裂的隨機性,器件的性能參數(shù)(如耐久性和均一性等)還需要進一步改善.此外還面臨著RRAM的共同問題,例如如何降低器件的操作電壓、如何提高器件的存儲密度等.為了解決這些問題,研究人員提出摻雜、嵌入儲氧層和光調(diào)控等手段提高器件的性能[17-20].自2012 年Ungureanu 等[21]發(fā)現(xiàn)光調(diào)制阻變現(xiàn)象后,光調(diào)控RRAM 得到了廣泛研究,如Zhu 和Lu[22]報道了可以利用光照修改憶阻器的動力學(xué)開關(guān),并類比于光遺傳技術(shù)的可塑性修改;Russo 等[23]證明了在UV 照射下,器件在耐久性和電流值等阻變性能方面有更好的表現(xiàn);Xie 等[24]展示了一種可以用于多功能光電傳感器方面的非易失性存儲器.結(jié)果表明,將光照引入RRAM 的研究中,為研制出低功耗和高存儲密度的RRAM提供一種新的方案.雖然有關(guān)光電阻變器件的研究已經(jīng)取得了很大進展,但仍需要克服一些重要的挑戰(zhàn),包括光電線性調(diào)節(jié)獲得更多電導(dǎo)狀態(tài)和進一步了解光電RRAM 的工作機制等[25].另外,由于HfO2材料的禁帶寬度較大,導(dǎo)致目前對該材料光控阻變現(xiàn)象的研究較少,這極大限制了HfO2基RRAM的應(yīng)用.因此,本文采用添加較小帶隙的氧化層為HfO2材料在光調(diào)控阻變行為方面提供一個新思路.

本文主要利用磁控濺射方法制備HfOx薄膜,并通過加入一層ZnO 薄膜來改善器件的阻變性能.實驗結(jié)果證明,加入ZnO 層阻變層,可以有效提高器件的均一性和減小操作電壓.同時研究光調(diào)控對器件性能的影響,最后提出基于氧空導(dǎo)電細絲的物理模型來解釋器件的阻變現(xiàn)象.

2 實 驗

先將Si/SiO2/Ti/Pt 襯底切成5 mm × 5 mm的小方塊備用,然后將襯底依次放入乙醇、丙酮和去離子水中進行超聲清洗15 min.采用射頻磁控濺射技術(shù)在Pt 襯底上鍍上薄膜.分別制備厚為25 nm的HfOx薄膜以及厚為15 nm 的HfOx-30 nm ZnO的雙層結(jié)構(gòu)薄膜.最后再使用直流磁控濺射技術(shù)結(jié)合掩膜版制得一定形狀和尺寸的Cu 頂電極形成MIM 結(jié)構(gòu).濺射過程中,使用純度為99.99%的HfO2,ZnO 和Cu 靶材,真空度為6.9×10-4Pa、氬氣流量為標(biāo)準狀況下20 mL/min、薄膜和頂電極的濺射功率分別為70 W 和30 W.此外,為研究薄膜的光學(xué)特性,在載玻片上制備了與上述相同工藝的HfOx和HfOx-ZnO 薄膜.

采用XPS 技術(shù)對所制備的薄膜進行化學(xué)成分分析,利用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀(Keithley 4200)的兩探針法測量了樣品的電學(xué)性質(zhì).測試過程中,電壓施加在Cu 電極上,Pt 電極始終接地.采用紫外可見光譜儀,對本文所制備的薄膜進行光學(xué)性能測試.本文在光照實驗中選用的光源為255 nm 的紫外光.光照測試時,光照始終與樣品保持垂直距離1 cm.

3 實驗結(jié)果與討論

圖1(a)和圖1(b)分別顯示了HfOx-ZnO 器件的測試示意圖和TEM 截面圖像.從圖1(b)可以看出,制備的HfOx和ZnO 薄膜均為非晶態(tài),界面處發(fā)生一定的界面反應(yīng),存在界面層.

圖1 HfOx-ZnO 樣品的測試示意圖(a)和TEM 圖像(b)Fig.1.Test schematic (a) and TEM images (b) of HfOx-ZnO samples.

圖2 為HfOx薄膜和HfOx-ZnO 薄膜的XPS圖譜.圖2(a)和圖2(b)分別對應(yīng)為HfOx薄膜的Hf 4f 峰和O 1s 峰,其中Hf 4f 峰可擬合為一對雙峰,Hf 4f7/2(16.9 eV)和Hf 4f5/2(18.61 eV),對應(yīng)于Hf-O 鍵[26];HfOx薄膜的O 1s 峰可以擬合成結(jié)合能為530.28 eV 的OA峰和結(jié)合能為532.18 eV的OB峰,分別對應(yīng)于HfOx薄膜中的晶格氧和非晶格氧[27].通過計算,HfOx薄膜的化學(xué)計量比約為1.82,說明所制備的薄膜是缺氧狀態(tài).此外,有研究認為,OB峰的存在與薄膜中的氧空位有關(guān)[27,28].結(jié)果說明,所制備的HfOx薄膜中含有一定量的氧空位.

圖2 (a),(b) HfOx 薄膜的XPS 能譜;(c),(d) ZnO 薄膜的XPS 能譜Fig.2.(a),(b) XPS spectra of HfOx film;(c),(d) XPS spectra of ZnO film.

圖2(c)和圖2(d)分別為ZnO 薄膜的Zn 2p和O 1s 圖譜.由圖2(c)可見,Zn 2p 光譜顯示兩個強峰,中心位于1021.53 和1044.73 eV,這分別與Zn 2p3/2和Zn 2p1/2的結(jié)合能一致,自旋軌道分裂為23.2 eV,證實了Zn2+的存在[29].在圖2(d)中,O 1s 光譜可以擬合成結(jié)合能位于530.39 和531.96 eV 的OA,OB峰,分別對應(yīng)于ZnO 薄膜中的Zn-O 鍵和非晶格氧[12].同樣,OB峰被認為與ZnO薄膜中缺氧區(qū)域的O-和O2-離子有關(guān),其強度部分代表氧空位濃度的相對含量.對比圖2(b)和圖2(d),可以明顯看出ZnO 薄膜中的OB峰占比遠大于HfOx薄膜中的占比,說明ZnO 薄膜中氧空位多于HfOx薄膜.

圖3(a)和圖3(b)分別展示了兩種器件的雙極性阻變曲線,插圖為器件的I-V曲線,即電形成(forming)過程,為防止器件被擊穿,設(shè)置了0.1 mA的限制電流來保護器件.兩個器件的初始狀態(tài)都顯示為高阻態(tài)(HRS),需要經(jīng)過電形成過程.隨后,電壓設(shè)置為順時針方向,順序如圖3(a)中箭頭和數(shù)字所示.首先給器件施加負電壓,當(dāng)負電壓增大到一定值時,器件的阻值從HRS 轉(zhuǎn)換到低阻態(tài)(LRS),這一轉(zhuǎn)變過程稱為設(shè)置(SET)過程,電流突變時對應(yīng)的電壓為設(shè)置電壓.當(dāng)施加反向偏壓時,隨著電壓的增大,器件電流瞬間減小,此時器件的阻值從LRS 突變成HRS,這一轉(zhuǎn)換過程被稱為復(fù)位(RESET)過程,對應(yīng)的電壓為復(fù)位電壓.一般來說,器件經(jīng)過電形成過程后,薄膜內(nèi)會產(chǎn)生新的氧空位為后續(xù)的循環(huán)測試提供氧空位,使得后面的設(shè)置過程更易發(fā)生,故設(shè)置電壓小于電形成電壓,并且可以進行多次設(shè)置,復(fù)位循環(huán)測試.從圖3(a)和圖3(b)可以明顯觀察到,相比HfOx器件,HfOx-ZnO 器件具有較小的電形成電壓,這可能是因為ZnO 薄膜具有較小的氧空位形成能,使得HfOx-ZnO 薄膜中含有更多的氧空位,導(dǎo)致HfOx-ZnO器件更容易發(fā)生阻變切換,這與XPS 分析結(jié)果一致.另外,從圖3 還能明顯看出,HfOx-ZnO 器件具有更好的重復(fù)性.

圖3 器件的雙極性I-V 曲線(插圖為電形成過程) (a) HfOx;(b) HfOx-ZnOFig.3.Bipolar I-V curves of the device (Inset shows the forming process): (a) HfOx;(b) HfOx-ZnO.

為進一步探究ZnO 層的加入對器件阻變特性的影響,圖4 對兩種器件的阻變性能進行了對比研究.圖4(a)為樣品操作電壓統(tǒng)計分布圖,HfOx樣品展示出了更寬的操作電壓分布,特別是設(shè)置電壓,這與圖3(a)中I-V曲線表現(xiàn)出的結(jié)果一致.圖4(b)為樣品的電阻統(tǒng)計分布圖,對于LRS 的電阻分布,兩種樣品的分布均較為分散,而HfOx-ZnO 樣品的HRS 電阻分布明顯更加緊湊.圖4(c)顯示了器件的耐受性,兩種器件均在直流電壓下進行測試,對于HRS 電流,兩種樣品的波動都較小.HfOx器件的LRS 電流表現(xiàn)出了較大的波動,而HfOx-ZnO 樣品的分布明顯波動更小,這可能是因為HfOx薄膜中氧空位的隨機分布,導(dǎo)致導(dǎo)電細絲的形成及數(shù)量也是隨機的,而HfOx-ZnO 薄膜中氧空位含量較多,并且復(fù)位電壓較小,導(dǎo)電細絲熔解并不徹底,為下一次導(dǎo)電細絲的形成提供了路徑,降低了導(dǎo)電細絲形成的隨機性,從而減緩了器件LRS 電流分布的分散性.另外,由于HfOx和ZnO薄膜之間存在界面層在一定程度上改善了器件的均一性,這可能是因為施加反向電壓后,部分氧離子和氧空位能聚集在界面層處發(fā)生復(fù)合,使這部分氧缺陷隨機分布性減弱,有助于產(chǎn)生穩(wěn)定的導(dǎo)電細絲,提高器件的均一性.圖4(d)給出了器件的保持特性,兩種器件均在直流0.5 V 電壓下進行讀取,兩種器件的保持性展示出滿意的結(jié)果,LRS 和HRS 電流可以保持104s 后而沒有任何明顯的退化.實驗結(jié)果證明所制備的器件是非易失性的.

圖4 兩種器件的阻變性能 (a)操作電壓分布;(b)電阻分布;(c)耐受性;(d)保持性Fig.4.Switching properties of two samples: (a) Statistical distribution of switching voltages;(b) statistical distribution of resistances;(c) endurance;(d) retention properties.

為了探究光調(diào)控對器件阻變性能的影響,本文對器件進行了光照實驗,研究了器件的光學(xué)性能,如圖5 所示.圖5(a)為HfOx樣品的UV-Vis 光譜圖,觀察到該薄膜在低于255 nm 波長的紫外區(qū)顯示出一個特征吸收.根據(jù)經(jīng)典的Tauc 方法,可以估算出薄膜的禁帶寬度,結(jié)果如圖5(a)插圖所示,估算出HfOx薄膜的帶隙約為5.10 eV,這可能是因為薄膜中存在氧缺陷,使得薄膜中氧原子和鉿原子的比例小于理想的化學(xué)配比,氧空位和鉿填隙原子的存在,導(dǎo)致薄膜的帶隙小于理論值,這與Pereira等[30]的研究結(jié)果一致.同樣地,HfOx-ZnO 樣品的UV-Vis 光譜圖如圖5(b)所示,樣品在低于300 nm波長的區(qū)域有明顯的特征吸收,估算出薄膜的禁帶寬度大約為4.31 eV.本文選用255 nm 的光源對樣品進行照射,對應(yīng)的能量約為4.86 eV,高于HfOx-ZnO 樣品的帶隙4.31 eV,低于HfOx薄膜的帶隙5.10 eV,可能HfOx樣品對所加光源不響應(yīng).

圖5 薄膜的UV-Vis 光譜圖(插圖為光學(xué)帶隙) (a) HfOx;(b) HfOx-ZnOFig.5.UV-Vis spectra of the films (Inset shows Tauc plot):(a) HfOx;(b) HfOx-ZnO.

圖6 是兩種器件在255 nm 波長光照不同強度下的I-V曲線,插圖為Forming 曲線.圖6(a)是HfOx器件的I-V曲線,該器件的操作電壓在有無光照下沒有明顯的變化,說明光照對HfOx器件的設(shè)置和復(fù)位過程沒有明顯的影響.只是器件處于HRS 狀態(tài)時,在光照下的電流略有增大.這可能是由于HfOx薄膜的禁帶寬度為5.10 eV,大于波長為255 nm 光照的能量(4.86 eV),因此當(dāng)光照射薄膜時,薄膜中的電子不會吸收光照能量發(fā)生禁帶躍遷,此時流經(jīng)器件的光電流只由光照激發(fā)薄膜中的缺陷態(tài)而產(chǎn)生.由于HfOx薄膜中的缺陷含量很小,所以光照對HfOx器件的阻變特性沒有明顯影響.

圖6 不同強度光照下器件的I-V 曲線(插圖為電形成過程)(a) HfOx;(b) HfOx-ZnO;(c) HfOx-ZnO 器件開啟電壓隨光照強度的變化Fig.6.Bipolar I-V curves of the device under different light intensity: (The inset shows the forming process): (a) HfOx;(b) HfOx-ZnO;(c) forming voltage of HfOx-ZnO device changes with the light intensity.

圖6(b)是HfOx-ZnO 器件在不同光照強度下的I-V曲線,插圖為電形成過程.可以看出,器件的VForming,VSET和VRESET隨著光照強度的增大而減小.Sharma 等[31]研究表明,使用能量大于薄膜禁帶寬度的光照射器件時,會導(dǎo)致穿過薄膜的導(dǎo)電細絲有較高形成速率.隨著光強的增大,單位時間內(nèi)穿過單位面積的入射光子數(shù)量會增加,即光子通量增大,從而在形成導(dǎo)電細絲之前產(chǎn)生更多的電子-空穴對.另外,有研究表明,ZnO 薄膜在紫外光照射下會產(chǎn)生新的氧空位和其他晶格缺陷,這些新產(chǎn)生的氧空位在電場的作用下能夠參與并促進氧空位型導(dǎo)電細絲的形成,有利于降低器件的操作電壓[23,32-34].圖6(c)給出了HfOx-ZnO 器件開啟電壓隨光照強度的變化,可以看出隨著光照強度增大,器件的開啟電壓呈下降趨勢,這與本文的實驗結(jié)果一致.

由上文可知,光照對HfOx器件沒有明顯的影響,后續(xù)將只研究HfOx-ZnO 器件在光照下的阻變性能.圖7 分別統(tǒng)計了HfOx-ZnO 器件在不同光照條件下的耐受性和操作電壓分布.由圖7(a)—(e)可以看出,器件在無光照時,LRS 電流分布的波動比較大,波動幅度隨著光照強度的增大而減小.雖然HRS 電流分布波動的幅度沒有LRS 電流分布波動大,但波動幅度也隨著光照強度的增大而減小.結(jié)果表明,光照可以改善器件的耐受性,這可能是因為光照產(chǎn)生的光電流會在薄膜中留下更多空位,并且薄膜中的氧空位或缺陷在電場作用下發(fā)生定向漂移,改善了薄膜中缺陷隨機分布的問題,從而使器件具有更好的耐受性[25].圖7(f)是器件的操作電壓分布統(tǒng)計圖.可以明顯看出與上文一致的結(jié)論,加入光照很大程度降低了器件的設(shè)置電壓和復(fù)位電壓,光照越強減小效果越明顯,這是因為隨著光照強度的增大,光電流也不斷增大,這說明本文制備的器件具有很大的光阻效應(yīng)[35].并且隨著光照強度的增大,器件操作電壓分布的波動性也逐漸減小,使器件獲得更好的均一性.總體來說,光照的加入可以很好地改善本文所制備器件的阻變性能,并且可以很大程度地減小操作電壓從而降低器件的功耗.

圖7 HfOx-ZnO 器件不同強度光照下的阻變性能 (a)—(e)耐受性;(f)操作電壓分布Fig.7.Resistive switching performance of the HfOx-ZnO device under different light intensities: (a)-(e) Endurance;(f) statistical distribution of switching voltages.

為了進一步探究光照對器件阻變性能的影響,本文分析了HRS 和LRS 狀態(tài)下電阻與不同光照強度之間的關(guān)系.由圖8(a)可以看出,在255 nm波長的光照下,HRS 狀態(tài)下的電阻隨著光照強度的增大而減小,即減小了器件的開關(guān)比.相較于HRS 態(tài)的電阻,器件LRS 態(tài)的電阻隨著光照強度的增大發(fā)生的變化并不明顯.另外,由圖8(a)可以明顯觀察到,器件在不同光照強度下至少可以表現(xiàn)出6 個不同的阻值狀態(tài),說明該器件具備多級存儲的潛力.圖8(b)顯示了該器件在不同光照條件下高、低阻態(tài)電流的保持特性,插圖為低阻態(tài)保持特性的局部放大圖.由圖8(b)可見,在不同光照強度下器件的LRS 和HRS 電流能夠保持104s 而不發(fā)生衰退,表明器件的各個阻值狀態(tài)均具有良好的數(shù)據(jù)保持性.

圖8 HfOx-ZnO 器件的多級存儲的性能 (a)高低阻值;(b)保持性Fig.8.Multilevel memory performance of HfOx-ZnO device:(a) High and low resistances;(b) retention properties.

為了探究所制備器件在有無光照下的阻變機制,首先將器件的I-V曲線重新繪制于雙對數(shù)坐標(biāo)下進行擬合,結(jié)果如圖9 所示.器件在所有光照下的I-V曲線擬合結(jié)果類似.圖9(a)是HfOx器件在不同光照下HRS 的擬合曲線,可以分為兩個部分:1) 在低壓區(qū),此時雙對數(shù)坐標(biāo)下I-V曲線的斜率擬合為1(I-V),可以認為這一階段器件的導(dǎo)電機制符合歐姆導(dǎo)電;2) 在電壓不斷增大的情況下,電流與電壓的平方成正比(I-V2),此時器件的導(dǎo)電方式主要為空間電荷限制電流(space charge limited current,SCLC)機制.圖9(a)中插圖為LRS 的擬合曲線,所有曲線擬合斜率都為1(I-V),這表示器件LRS的導(dǎo)電方式都以歐姆導(dǎo)電為主.圖9(b)是HfOx-ZnO 樣品HRS 狀態(tài)下I-V曲線擬合結(jié)果,與HfOx器件擬合結(jié)果一致,說明HfOx-ZnO 樣品HRS 狀態(tài)的導(dǎo)電機制為SCLC 機制.圖9(b)插圖為LRS 的擬合曲線,所有曲線擬合斜率都為1(I-V),表示器件LRS 的電流傳輸方式都以歐姆導(dǎo)電為主.結(jié)果表明,光照的加入只是有光電流的產(chǎn)生增大了流經(jīng)器件的電流,并未改變器件的阻變機制.

圖9 器件的阻變機制 (a) HfOx;(b) HfOx-ZnO;(c) Cu/HfOx/Pt 器件LRS 阻值與溫度的關(guān)系Fig.9.Resistive switching mechanism of devices: (a) HfOx;(b) HfOx-ZnO;(c) relationship between LRS resistance and temperature of Cu/HfOx/Pt.

通過上述分析可知,本文所制備器件的阻變機制為導(dǎo)電細絲機制.雙極性阻變行為的導(dǎo)電細絲模型可分為兩類: 一類是金屬導(dǎo)電細絲模型;另一類是氧空位導(dǎo)電細絲模型.由于本文使用的電極為Cu,是一種典型的活性金屬,并且通過上文XPS分析可知,本文所制備的薄膜是缺氧態(tài)的.因此導(dǎo)電細絲可能是金屬Cu 導(dǎo)電細絲,也有可能是氧空位導(dǎo)電細絲,為了確定導(dǎo)電細絲的主要成分,測試了Cu/HfOx/Pt 器件LRS 下阻值與溫度的關(guān)系,結(jié)果如圖9(c)所示.從圖9(c)可知,LRS 阻值隨著溫度的升高而減小,表現(xiàn)出典型的半導(dǎo)體導(dǎo)電特征,說明導(dǎo)電細絲的成分主要是氧空位.因此,確定了器件阻變行為主要受氧空位導(dǎo)電細絲控制.

經(jīng)上述分析,Cu/HfOx/Pt 和Cu/HfOx-ZnO/Pt 器件在有無光照下的阻變機制是一致的,阻變行為的發(fā)生都依賴于薄膜中氧空位導(dǎo)電細絲的形成和斷裂.因此,以HfOx-ZnO 器件為例,建立了適用于本文所制備器件的阻變機制模型,如圖10所示.器件初始狀態(tài)為HRS,需要進行一個電形成過程.該過程中,氧空位在外加電場的作用下遷移至并在上電極累積,最終氧空位將上下電極連通形成導(dǎo)電細絲,使器件實現(xiàn)了由HRS 轉(zhuǎn)換到LRS.器件在沒有光照條件下時,電形成過程如圖10(b)所示,由于薄膜中氧空位的隨機分布和數(shù)量較少,此時需要較大的電壓才能使導(dǎo)電細絲形成.圖10(d)則顯示了器件在紫外光照射下的電形成過程,薄膜在255 nm 的光照下會產(chǎn)生額外的氧空位使薄膜中的氧空位增多,并且額外產(chǎn)生的氧空位濃度會隨著光照強度的增大而增多,可以促進導(dǎo)電細絲的形成,因此與無光照相比,器件在光照下的電形成過程在更小的電壓下就能完成.圖10(c)和圖10(e)分別是器件在無、有光照下的復(fù)位過程.給器件施加反向電壓時,氧空位與氧離子復(fù)合,使導(dǎo)電細絲發(fā)生斷裂,器件又回到HRS.與無光照對比,器件在光照下薄膜內(nèi)會含有更多的氧空位增加了與氧離子復(fù)合的概率,導(dǎo)致導(dǎo)電細絲在更小的電壓下發(fā)生斷裂.并且導(dǎo)電細絲在小電壓下斷裂的更加不完全使后續(xù)的設(shè)置過程中導(dǎo)電細絲更易形成.設(shè)置過程與電形成過程相似,只是由于有了電形成過程薄膜中會產(chǎn)生新的缺陷或者導(dǎo)電細絲斷裂不徹底,使得所需電壓小于電形成電壓.結(jié)合實驗結(jié)果可知,本文制備的Cu/HfOx-ZnO/Pt 器件在255 nm 的光照下可以獲得更小的Forming 電壓和操作電壓.多條導(dǎo)電細絲的形成,以及導(dǎo)電細絲在復(fù)位過程中的不完全溶解,可充當(dāng)后續(xù)開關(guān)行為的燈絲尖端,這使得器件在光照下表現(xiàn)出更為優(yōu)異的均一性和穩(wěn)定性[36].

圖10 HfOx-ZnO 器件的電阻開關(guān)物理微觀過程Fig.10.Physical microscopic process of the resistance switch of the HfOx-ZnO device.

4 結(jié)論

利用磁控濺射法制備了HfOx和HfOx-ZnO 結(jié)構(gòu)的RRAM.研究結(jié)果表明,兩種器件都表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的雙極性阻變行為,由于HfOx薄膜內(nèi)氧缺陷含量較小且分布隨機,導(dǎo)致HfOx器件的阻變參數(shù)分布范圍廣,器件的耐受性較差.HfOx-ZnO 器件因為ZnO 層的加入,導(dǎo)致阻變層內(nèi)氧空位濃度增大,使得HfOx-ZnO 器件阻變參數(shù)分布更加緊湊,耐受性也更加優(yōu)良.HfOx器件因較大的禁帶寬度對255 nm 紫外光沒有明顯的響應(yīng).HfOx-ZnO薄膜的光學(xué)帶隙在4.31 eV 左右,對255 nm 紫外光具有明顯的光響應(yīng),器件在光照下由于電子躍遷而產(chǎn)生光電流,并且光電流隨著強度的增大而增大.HfOx-ZnO 器件的操作電壓和均一性都隨著光照強度的增大得到進一步改善.雖然光照減小了器件的開關(guān)比,但通過施加不同的光照強度使器件具備多個阻值狀態(tài)進而實現(xiàn)多級存儲,有利于增強器件的存儲密度.光照的加入并未改變兩種器件的阻變機制,器件在有無光照下作用下的阻變行為都可以采用氧空位導(dǎo)電細絲解釋.