温度对铁电隧道结隧穿电阻效应的影响

2020-07-15王一豪陈赓章天金马志军

湖北大学学报(自然科学版) 2020年4期

王一豪，陈赓，章天金，马志军

(1.湖北大学材料科学与工程学院，湖北武汉 430062;2.湖北大学化学化工学院，湖北武汉 430062)

0 引言

基于金属-绝缘体-金属(MIM)结构的非易失性电阻反转存储器已被广泛研究[1]，该类存储器的电阻反转基于导电细丝的形成和熔断，而导电细丝传导路径通常由绝缘体内部或金属/绝缘体界面附近的缺陷和金属迁移形成．但是，当施加足够大的电压时，绝缘层中形成的缺陷及形变会破坏这种导电细丝过程，因此该类存储器属于破坏性存储．为了克服这种缺陷，人们开始从材料的特性出发研究新型的存储器件，目前最热门的话题之一是铁电隧道结(FTJs)[2-4]．所谓铁电隧道结，即是两个电极夹一层超薄铁电层的三明治结构.该结构的特性是其电阻大小与其中铁电薄膜层的极化取向有关：当极化方向发生改变时，其电阻也会发生改变，即极化反转引起电阻反转．铁电隧道结的这种特性被称为隧穿电阻(TER)效应．因此，铁电隧道结中铁电层的两个极化取向对应高、低两种阻态，可分别代表“0”和“1”两个逻辑态，从而可实现二进制数据的存储．以铁电隧道结为存储单元的新型存储器由于量子隧穿效应而具有非破坏性读取、高存储密度、高灵敏度、低功耗、易于集成等优势，可以解决传统存储器中存在的问题.因此，铁电隧道结在存储与传感器件、智能器件等方面具有广阔的应用前景，是当前材料科学、信息科学和凝聚态物理学领域的研究热点[4-8]．

对于铁电隧道结而言，TER值是一个关键的性能参数．TER值越大，信号的输出水平就越高，也就能更清楚地区分两个逻辑阻态．这对铁电隧道结的投入实际应用和提高器件使用寿命有着至关重要的意义．许多研究工作都围绕提高TER值而努力，而环境温度也会影响电子的输运特性，因此也会对隧道结的性能产生影响．研究铁电隧道结的温度特性，有助于加深对铁电隧道结电子输运的认识．Contreras等人研究了温度对Pt/PbZr0.52Ti0.48O3(6 nm)/SrRuO3铁电隧道结电子输运机制的影响，发现在4.2～300.0 K的温度范围内，声子辅助的非弹性隧穿一直占主导地位[9]．Wen等人发现Pt/BaTiO3/SrRuO3隧道结的TER值随温度降低而升高，在50 K时达到饱和[10]．Pb0.2Zr0.8TiO3具有良好的铁电性，是铁电领域研究比较多的一种材料．Nb掺杂SrTiO3(Nb:SrTiO3)是n型半导体材料，与Pb0．2Zr0．8TiO3具有类似的钙钛矿结构，可以作为底电极使用．但以Nb:SrTiO3为底电极和Pb0.2Zr0.8TiO3为铁电层制备铁电隧道结鲜见报道．

本文中，我们采用脉冲激光(PLD)与磁控溅射技术制备Pt/Pb0.2Zr0.8TiO3(PZT)/Nb:SrTiO3(NSTO)铁电隧道结,研究环境温度对隧穿电阻效应的影响．结果表明，TER值随着环境温度的增加而减小．温度依赖的输运机制可以解释温度对铁电隧道结性能的影响．

1 实验

选择尺寸为5 mm × 5 mm × 0.5 mm，取向为(001)的NSTO衬底，经过乙醇和异丙醇的超声清洗衬底表面得残留物后，迅速用氮气吹干.再将清洗好的衬底用高温银浆固定在衬底托上，放入PLD腔体中分别沉积PZT薄膜．然后利用磁控溅射方法在薄膜上沉积直径大小10 μm 的Pt顶电极.PZT沉积条件：衬底温度600 ℃，氧压30 Pa，激光能量260 mJ．Pt电极磁控溅射工艺：功率40 W，Ar分压0.5 Pa，溅射时长50 s．PZT薄膜的表面形貌用MFP-3D Infinity型原子力显微镜(AFM)进行检测．铁电隧道结的电学性能采用实验室搭建的多场耦合测试系统进行测试．电学测试过程中电压施加在Pt顶电极上，NSTO底电极接地．

2 结果与讨论

图1(a)和图1(b)分别为3 nm和4 nm厚PZT薄膜的AFM表面形貌，AFM扫描区域为5 μm×5 μm．可以看出两种厚度的PZT薄膜表面平整无大颗粒，表明薄膜质量较好．图2(a)为PZT厚3 nm的Pt/PZT/NSTO铁电隧道结在室温下的I-V特性曲线．测试每一条曲线之前，采用 + 3 V或 - 3 V的脉冲电压使PZT薄膜的极化指向底电极或顶电极．可以看出，当PZT的极化指向底电极NSTO时隧道结处于低阻态，当PZT的极化指向顶电极Pt时隧道结处于高阻态．这种隧道结高低阻态与铁电层极化的取向的关系与文献报道一致[11]．图2(b)为PZT厚4 nm的Pt/PZT/NSTO铁电隧道结的I-V特性曲线．随着铁电层厚度的增加，隧穿电流随之减小，这是由于势垒变宽导致隧穿几率减小的缘故．

图1 不同厚度(a) 3 nm;(b)4 nm的PZT薄膜的AFM图谱

定义TER值为低阻态与高阻态的电流大小之比．计算表明，在读电压为 + 0.1 V时，铁电层厚度为3 nm与4 nm的隧道结的TER值分别为6和34．TER值随铁电层厚度增大而增大可以解释为隧道结的势垒非对称性增加．当隧道结的势垒非对称性增加时，两不同极化状态对应的的隧道结平均势垒高度差别增大，使得TER值增大．由于两种厚度的PZT薄膜表面质量没有明显差别，因此可以认为薄膜表面质量对TER值没有影响．

图2 不同铁电层厚度(a) PZT 3 nm;(b)PZT 4 nm 的Pt/PZT/NSTO铁电隧道结的I-V曲线图中↓表示极化向下状态(指向底电极)，↑表示极化向上状态(指向顶电极)

为了研究铁电隧道结的温度特性，测试PZT厚4 nm的Pt/PZT/NSTO铁电隧道结在不同温度下的I-V曲线，温度范围为50 ～ 290 K，如图3所示．测试如前所述的方法，先施加-3 V (+3 V)的预极化电压使隧道结处于高(低)阻态，然后用较小的电压(- 0.2～+0.2 V)读取电流．由于仪器分辨率的缘故，高阻态(图3(a))对应的电流数据在温度很低时出现一些散乱的点．随着温度的增加，两种阻态的电流都呈现增大的趋势．

图3 Pt/PZT/NSTO铁电隧道结(a)高阻态；(b)低阻态的不同温度下的I-V曲线

为了更加清楚地观察温度对隧穿电阻效应的影响，对PZT厚4 nm的Pt/PZT/NSTO铁电隧道结进行电阻-电压(R-V)测试，如图4所示．测试时施加 + 3 V的电压脉冲使隧道结处于低阻态，然后按0 V → - 2 V→ 0 V→ +2 V → 0 V的顺序进行扫描．每施加一个写脉冲电压后，即施加 + 0.1 V的小电压读取电阻值．随着温度的增加，高低阻态间的差别变小．可见温度对铁电隧道结的输运具有重要的影响．随着温度的增加，直接隧穿将不再占据主导地位，热电子发射得到加强，铁电极化对电流的影响削弱，使高低阻态间的差别不再明显，从而使性能发生劣化．

图4 不同温度下Pt/PZT/NSTO铁电隧道结的R-V曲线图中箭头表示电压扫描顺序

提取上述不同温度点下的高低阻态的电阻值之比，并重新定义其为TER值，作图如图5所示．随着温度的增加，隧道结的TER值呈下降的趋势．温度为50 K时，TER值较大(50)；在290 K时，TER值只有3．从这里更加直观地看出温度对隧道结隧穿电阻的影响．温度升高时，热电子发射机制将减小隧道结高低阻态间的差别．