氧空位对Ag/Nb:SrTiO3/Au双肖特基结阻变行为的影响

2016-10-10申婧翔史莉莉

长治学院学报 2016年2期

关键词：肖特基势垒空位

申婧翔，史莉莉

（长治学院化学系，山西长治046011）

氧空位对Ag/Nb:SrTiO3/Au双肖特基结阻变行为的影响

申婧翔，史莉莉

（长治学院化学系，山西长治046011）

将0.5wt%Nb:SrTiO3（NSTO）单晶衬底在不同含氧量的气氛中进行退火处理，得到含有不同氧空位浓度的衬底表面。利用紫外光刻蚀技术和磁控溅射薄膜沉积技术在含不同氧空位浓度的NSTO表面沉积金属Ag和Au电极构成三明治的Ag/NSTO/Au结构器件，并进行电学性能和阻变性能测试表征。结果表明，通过调控氧空位的浓度，可以改变肖特基势垒宽度和高度，从而改善Ag/NSTO/Au器件的阻变性能。

氧空位；电子；肖特基势垒；阻变效应；

1　引言

随着电子产品的不断改善，人们对其存储速度、密度、功耗等存储性能以及成本方面的要求随之变得日益强烈。在这些需求的强烈驱动下，相继出现了铁电存储器（FRAM）、相变存储器（PRAM）、磁存储器（MRAM）和阻变存储器（RRAM）等四大类非挥发性存储器件。与其它几类非挥发性存储器件相比，RRAM具有结构简单、尺寸可缩小、功耗低、操作速度快、存储密度高、保持性能优越以及与CMOS工艺兼容性好等优点，有望成为下一代非挥发性存储器件的有力竞争者[1-2]。

RRAM器件单元具有简单的三明治结构，由金属-绝缘体-金属或者金属-绝缘体-半导体（MIM或者MIS）构成。金属或者半导体分别用做顶电极和底电极，中间的绝缘体做阻变层材料。其中，能够用于阻变器件的材料种类繁多，如有机材料、二元氧化物、钙钛矿结构的三元化合物和固态电解质材料等。在上述阻变材料中，由金属与n型或p型半导体（多为过渡金属氧化物）构成肖特基结的阻变存储器件，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员的注意。这些材料的共同点是均含有氧元素，在制备过程中会产生缺氧和富氧两种情况，导致空穴或者电子对掺杂氧化物的形成，改变肖特基势垒的高度和宽度[7]，从而影响器件的阻变效应。R.Yang[8]等人的研究发现基于结构Ag-Al合金/La0.67Ca0.33MnO3的阻变存储器件的阻变性能要优于结构Ag/La0.67Ca0.33MnO3和结构Ag/La0.67Ca0.33MnO3。这些研究表明，金属电极的种类及其与半导体的接触界面对阻变存储器件性能的影响不可忽略。

2　实验内容

文章选用3片0.5wt%Nb:SrTiO3单晶体作为衬底，置于丙酮中超声清洗干净后取其中两片衬底分别置于750℃的真空和750℃的空气气氛中进行退火处理30 min。另一片衬底则不做任何处理，分别将它们标记为真空-NSTO，空气-NSTO 和non-NSTO。之后，采用紫外光刻蚀技术和磁控溅射技术在这三片衬底上分别沉积圆形金属薄膜Ag和Au做为金属顶电极和底电极，其厚度约为150 nm，面积大小约为1 mm2，构成Ag/NSTO/Au三明治结构的双肖特基结存储器件，如图1所示。并利用KEITHLEY2400和KEITHLEY2000提供电压电流源进行I-V和阻变性能的测试表征。

图1　Ag/Nb:SrTiO3/Au结构的存储器件

3　结果与分析

（1）I-V测试

在常温下，分别对真空-NSTO，空气-NSTO和non-NSTO处理后的NSTO所构成Ag/Nb:SrTiO3/Au的器件结构进行I-V扫描测试，所施电压极性如图1所示，并按0V→+2V→0V→-2V→0V的方式和大小进行I-V扫描。所得I-V曲线如图2所示。标号1、2、3分别对应于真空-NSTO、non-NSTO和空气-NSTO所构成Ag/Nb:SrTiO3/Au器件结构的I-V特性曲线，其中内框图为所对应的半对数坐标下的I-V曲线。

图2　真空-NSTO、non-NSTO和空气-NSTO条件下Ag/NSTO/ Au的I-V特性，内框图为其相对应的半对数坐标下的I-V曲线

图3　在低阻态时Ag/NSTO/Au器件耗尽层厚度与氧空位浓度的关系（a）真空-NSTO，（b）non-NSTO，（c）空气-NSTO

由图2可知，3条曲线高、低阻态之间的电阻比值有明显的差异，即阻变窗口大小有明显差别，其中曲线1最大，曲线3最小。这可能是由金属电极与NSTO接触界面所含的氧空位浓度不同而引起的。由于氧空位浓度在相同的退火温度下会随着气氛中氧含量的增加而减小，在相同的退火气氛中随着退火温度的升高而降低[9]，所以这三者的氧空位浓度按真空-NSTO、non-NSTO和空气-NSTO的顺序依次减小。金属电极Ag和Au的功函数分别为4.26eV和5.1eV，与n型半导体NSTO接触时分别构成Ag/NSTO和Au/NSTO两个肖特基结，其中功函数较大的Au与NSTO构成的肖特基结对阻变效应的贡献占有主导作用。当Ag/NSTO/Au处于低阻态时，产生的电流大小主要由电子隧穿效应决定[10]，即由肖特基势垒的宽度（Wd）决定，它随氧空位浓度的变化如下图3所示。（a）、（b）、（c）分别代表真空-NSTO、non-NSTO和空气-NSTO三器件在正电场作用下Wd的变化，其氧空位浓度大小顺序为（a）＞（b）＞（c），随着氧空位浓度的增加，Au/NSTO肖特基结界面处的Wd随之越来越薄，隧穿电流也就越来越大，所以三者电流大小顺序为（a）＞（b）＞（c）。当Ag/NSTO/Au处于高阻态时，产生的电流大小主要由肖特基势垒高度（qVD）决定，如图4所示，qVD为肖特基势垒高度，氧空位浓度越大者在施加反向电场时捕获电子数目越多，致使NSTO能带弯曲越严重，界面所产生的qVD越大，电子越过势垒继续流入金属的数目越小，所产生的电流大小顺序为（d）＜（e）＜（f）。综上所述，氧空位浓度越大的器件在高、低阻态转变的过程中所产生的电流比值越大，阻变窗口也就越大。

图4　在高阻态时Ag/NSTO/Au器件肖特基势垒高度与氧空位浓度的关系（d）真空-NSTO，（e）non-NSTO，（f）空气-NSTO

（2）保持性能测试

为进一步验证氧空位浓度对Ag/Nb:SrTiO3/Au存储器件的阻变影响，分别测定了真空-NSTO和空气-NSTO两器件15000 s内在读取电压为+0.2 V下的保持性能，如图5所示分别截取了两器件在10000 s～15000 s内高、低阻态之间阻值的变化。图5（a）和5（b）分别对应于器件真空-NSTO和空气-NSTO。由图可得两器件在15000 s内高、低阻态的阻值变化都很稳定，均表现出了良好的保持性能。但是，从图中也不难得出真空-NSTO和空气-NSTO的高、低阻态之间的比值不同，分别约为1000和2。这正是两器件的氧空位浓度不同而导致在外加电压作用下的肖特基势垒高度变化不同引起的，与I-V测试结果相吻合。

图5　Ag/NSTO/Au结构的存储器件在不同退火条件下的保持特性（a）真空-NSTO（b）空气-NSTO

4　结论

通过退火处理的方式，制备了不同氧空位浓度的Ag/NSTO/Au的存储器件，对其I-V性能和保持性能的测试表明，不同氧空位浓度的器件在极性外加电压的作用下，捕获或释放电子，导致肖特基势垒高度和宽度的该变量不同，从而引起阻变性能的变化。所以，通过调控氧空位的浓度，可以改善Ag/NSTO/Au器件的阻变性能。

［1］王源,贾嵩,甘学温.新一代存储技术-阻变存储器［J］.北京大学报(自然科学版),2011,47(3):565-572.

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