超薄BaTiO3铁电薄膜隧穿机理研究
2016-11-02赵智超吴铁峰
赵智超 吴铁峰
摘要：使用磁控溅射法来对超薄BaTiO3的铁电薄膜进行制备，对电子隧穿的过程进行分析，将电流和电压所绘制出的曲线进行拟合，对单极性开关和双极性开关的工作原理进行分析和讨论。通过数据结果可以得知：在Pt/BaTiO3/Pt 隧道结中含有三种不同类型的物理机制，分别为Schottky 发射、SCLC 机制、P-F 发射。
关键词：超薄BaTiO3铁；电薄膜；隧穿机理
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）18-0245-03
BaTiO3是一种具有代表性的铁电材料，具有较强的铁电性、热释电性、压电性和非线性光学特性等特性。目前，已经在光电器件、微波器件、铁电存储器等多方面广泛使用，已经成为当今世界上最为活跃的一种新型材料，引起社会相关人士的广泛关注。对Pt上下电击中超薄BaTiO3薄膜所具有的性质进行研究，并且根据国际上相关的理论来对电阻开关效应工作的机制进行分析和研究。
1 Pt/BaTiO3/Pt隧道结的隧穿机理
超薄BaTiO3薄膜中主要结构是Pt/BaTiO3/Pt/Ti/SiO2。其中，Pt的功函数为5.65eV ， BaTiO3的禁带宽度保持在2.9eV。可以将超薄BaTiO3薄膜上下电极界面可以当做是肖特基二板管，也就是说上下电极可以看做是电容器的两极，BaTiO3作为介质层，由于BaTiO3的电导率小很小，可以将两极间漏电电阻可看作是电容器和直流电阻进行并联。当加入一个较大电压在电极处时，氧空位会大量向底电极进行迅速移动。对细扮理论进行分析，当氧空位密度达到一定的数值后，相邻氧空位之间的间距变小，随着外加电压的不断增加，势垒会逐渐得变窄，电子越过势垒的概率迅速提高。底电极和超薄BaTiO3所形成的导电细扮肖特基_极管瞬间消失，并且可以将其视为欧姆接触等效电路图。（如图1所示）
在上电极位置加入三角板来对压力进行测试，并且得出超薄BaTiO3电流和电压之间的曲线图。电压的扫描顺序：OV→10V→0V→10V→0V。（如图2所示），图2是底电极Pt的超薄BaTiO3隧道结初始状态下电压和电流之间的曲线图，电压和电流之间的关系为单极性电阻开关，并且1、2、3表示高阻态（HRS），4表示低阻态（LRS）。
在等效电路的顶端施加正向力来对电压进行扫描，可以看出电场力的方向向右，超薄BaTiO3薄膜会受到空气中的氧气产生作用力，并且向右进行移动，电极中电子受到的作用力与其相反，从而向左进行移动，等效电路的上端的肖特基二极管处于一种截庄的状态，电阻为高电阻状态；当等效电路的顶端施加负向力来对电压进行扫描时，可以看出电场力的方向向左，超薄BaTiO3薄膜会受到空气中的氧气产生作用力，并且向左进行移动，电极中电子受到的作用力与其相反，从而向右进行移动。当电压的数值过大或者过小，单元都处于一种高电阻的状态，从而出现过程3xianx.dang负向电压与阂值电压相同时，氧空位会逐渐的向薄膜界面进行集中，并且使得肖特基势垒迅速变窄，电子可以随意从界面的两边进行跳跃和转移，并且此时的单元处于低电阻的状态。
在进行循环测试时，当第二次施加正向电流来对电压进行扫描时，可以得出底电极为Pt的超薄BaTiO3隧道结的稳态电流和电压的曲线。电流和电压之间的关系为双极性电阻开关。电阻在正向电压Vset将HRS转换成LRS，电阻在负向电压VReset处将LRS转换为HRS。
在进行循环测试时，对其进行正方向的施加压力然后对电压进行测定时，可以得出结论：氧空位逐渐的向右进行移动，肖特基势垒逐渐的变宽，并且电子难以从右侧向左侧进行跳跃。当电压过大或者过小时，少部分的电子可以穿过肖特基势垒，当正向阂值电压为8.4V时，所有的电子则无法穿越肖特基势垒，并且由LRS转变为HRS。当施加负方向的压力对电压进行检测时，薄膜界面处的粒子受力情况，当电压的负向数字到达一定的数值之后，肖特基势垒逐渐的变窄，电子则非常容易穿过肖特基势垒，电流和电压的曲线又渐渐的开始从高电阻的状态向低电阻的状态进行转变。
对肖特基势垒的发射公式、电荷限制电流等物理公式进行综合性的分析，对单极性和双极性的电流和电压形成的曲线图进行拟合，对不同Pt/BaTiO3/Pt厚度的隧道结电子穿越的过程进行分析和研究。在进行循环测试电压时，当V>0V时，电阻不会发生发转；当V<0V时，高电阻的电压和电流曲线中，电压在0.6V-4.5V范围内，符合肖特基发射机制。曲线的斜率为3.96，；当电压在4.5V-9V范围内，符合P-F发射机制，曲线的斜率为1.42。低电阻状态现电压和电流的曲线中，当电压在0.4V-4V范围内，符合肖特基发射原理，并且曲线的斜率为6.69。
当V>0V时，低电阻状态下，当电压在0V-3.24V范围内，符合SCLC机制，曲线的斜率为2.34；当电压在5.5V-8V范围内时，可以看出，符合肖特基发射机制，曲线的斜率为2.17。当电流在0V-3.3 V范围内，符合肖特基发射机制，曲线的斜率为4.41；当电压在5.4V-10V范围内，符合P-F发射机制，曲线的斜率为1.56。
当电压V<0V时，当电压在0V-5V范围内，符合SCLC机制，曲线的斜率为1.87；当电压在5V-10V范围内，符合肖特基发射机制，曲线的斜率为2.22，；当电压在5V-10V范围内，符合肖特基发射机制，曲线的斜率为0.78。
是一种好的导体，其中Nb含量为0.7%、电导率为7.0m
其次继续在上部电极处施加电压进行三角波循环测试，电压的扫描顺序由0V增加到10V，然后在由10V降低到0V，重复一次。
当在底部电极施加正向电压进行测试时，界面周围的氧空位会逐渐的向右边进行移动，由于施加的正向电压过小，肖特基势垒不会变窄，则电子无法穿越过势垒。当继续增加电压数值，直至达到阂值电压时，肖特基势垒会逐渐的变窄，从而电子可以穿过势垒，隧道结由高电阻状态向低电阻状态进行变化；当在底部电极施加负向电压进行测试时，界面位置处粒子受到作用力发生移动，由于施加的负向电压过小，少部分的电子可以穿过肖特基势垒。当继续增加负向电压时，直至达到P值电压时，肖特基势垒逐渐变宽，电子难以穿过势垒，此时，隧道结从低电阻状态向高电阻状态进行转变。
基于普尔一弗伦克尔发射理论、肖特墓发射的物理公式以及空间电荷限制电流理论来对电流-电压曲线图中的单极性、双极性特征曲线进行拟合，从而更加系统的对Nb隧道结隧的隧穿原理进行分析和讨论。
当电压大于0V时，高电阻状态下电流-电压的曲线在1.5-6.5V范围内出现，并且曲线的斜率为4.34，此时符合肖特基发射原理；当电压大于0V时，低电阻状态下电流-电压的曲线在0-2.7V范围内出现，并且曲线的斜率为5.72，此时符合肖特基发射原理。
当电压小于0V时，低电阻状态下电流-电压的曲线在0-2.5V范围内出现，并且曲线的斜率为6.65，此时符合肖特基发射原理；当电压小于0V时，高电阻状态下电流-电压的曲线在2-4.5V范围内出现，并且曲线的斜率为6.07，此时符合肖特基发射原理；当电压小于0V时，高电阻状态下电流-电压的曲线在4.5-10V范围内出现，此时符合P-F发射原理。
3 结论
通过Pt/BaTiO3/Pt隧道结的电流与电压进行研究，借助物理模型，对测量所得到的实验数据进行线性拟合。对不同厚度BaTiO3隧道结的单极性、双极性开关的物理机制进行分析，通过实现数据可知：薄膜中包含3种物理机制，其中SCLC机制为主要机制，肖特基发射为次要机制，最后是P-F发射。
参考文献：
[1] 温嘉红.不同厚度BaTiO3薄膜的铁电隧道结电学性质的研究[D].哈尔滨工业大学，2014.
[2] 郭圣洁，胡广达，杨长红.（Pb，La）TiO3薄膜的结构与性能[J].济南大学学报（自然科学版），2016（6）.
