Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO薄膜器件光控电阻开关特性研究

李秀林 陈 鹏*

（西南大学 物理科学与技术学院，重庆400715）

1 概述

随着微纳器件的广泛发展进步，尤其是在Flash 存储器发展遇到瓶颈以后，迫切需要发展下一代的非易失存储技术[1-3]。目前，磁电阻随机存取存储器（MRAM）、铁电随机存取存储器（FeRAM）、相变随机存取存储器（PCRAM）和电阻随机存取存储器（RRAM）可预测地满足对存储器设备的新要求。其中，电阻随机存取存储器引起了研究人员的广泛关注。电阻随机存取存储器（Resistive Random Access Memory, RRAM）是利用某些薄膜材料中发生的电阻变化来实现信息的存储。由于电阻随机存取存储器在电阻开关的过程中，外加的电场、磁场、温度等只影响薄膜材料中的电子结构的排列。因此，从理论上讲，电阻随机存取存储器具有非常优良的可缩小性能。同时它几乎具有新一代电子器件所要求的速度更快、功耗更低、成本更低、密度更高、更加环保、可3D 集成等特性，是最有可能成为新一代优良电子存储器件的候选产品[4]。

电阻随机存取存储器通常是一个三明治的结构，即由上下两个电极和中间的阻变层组成。根据报道的具有电阻开关特性的阻变层，从材料角度大体上可以分为以下三类：氧化物阻变材料、有机阻变材料和固态电解液阻变材料。其中，氧化物阻变材料又可以细分为多元氧化物阻变材料和二元氧化物阻变材料，主要包含PrxCa1-xMnO3、SrTiO3、SrRuO3等多元金属氧化物和HfO2、TaOx、Al2O3、NiO、ZnO2等二元金属氧化物[5]。金属氧化物因其结构简单、微缩性好、与CMOS 电路有良好兼容等优点，受到广大科研人员关注。BiFeO3是少数几种室温下具有铁磁性和铁电性的多铁材料之一，也是很好的光电材料（能隙约为2.1eV），在可见光频率范围内（3.9×1014-8.6×1014HZ），电磁波就能对它产生调制作用。在过去几年中，光一直被用作电阻开关存储器件的一种新控制方法，因为Ungureanu[6]报告了Pd/Al2O3/SiO2器件中的光学控制电阻开关存储器。从那时起，光学控制电阻器的开关效应已成为光学控制非易失性存储器器件的潜在发展方向。

在本文中， 我们通过磁控溅射法制备了Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO 薄膜器件，并利用电脉冲法和可见光照研究了电阻开关特性。

2 制备

开始先对托盘、操作工具、基底和掩模板进行清洗。依次用酒精、丙酮、去离子水、丙酮、酒精在频率为30KHz 的超声波中对托盘、操作工具、基底和掩模板进行清洗，每次时间为30 分钟。本实验使用高纯度靶材，其原料纯度均大于99.99%。在室温下，通过射频磁控溅射法在ITO 衬底上沉积CoFeB 层。在CoFeB 层沉积了BiFeO3层。在BiFeO3层沉积Ag 电极(直径1 毫米)作为上电极。样品下电极为ITO。实验过程背景真空为2.4×10-5Pa,高纯氩气流量为30.0sccm。Ag/BiFeO3/CoFeB 在1.0Pa 的高纯度氩气压强下沉积。普通白炽灯作为实验时所用光源，可见光的波长范围为390-760 纳米。

3 结果和讨论

电流- 电压 (I-V) 曲线用Keithley 2400 源表测量。Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO 器件的结构和测量条件如图1 所示，其中Ag 和ITO 分别是顶部和底部电极，顶部电极的直径为1 毫米。

图1

图1 为实验测试电路，其中Ag 和ITO 分别是顶部和底部电极，顶部电极的直径为1 毫米。

图2

图2(a)为Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO 薄膜器件在黑暗和光照强度为1.2mW/cm2的I-V 曲线特性。（b）为样品的I-V 曲线的对数图像。在室温下的I-V 曲线测量期间，直流电压扫描为：0→+0.66V→0V→-0.66V→0V。如图2(a，b)中I-V 曲线的箭头所示表示扫描顺序，扫描速率为0.03V/s。图2(a，b)可以看到，在黑暗中，样品电阻开关特性较小，但在光照强度为1.2mW/cm2下，样品表现出明显的双极性电阻开关特性。在图2(a)中，在0.65V 读取电压下，在黑暗和光照强度1.2mW/cm2下，样品的最大电流值分别是6.5mA、11.3mA。在光照强度1.2mW/cm2下，施加正向电压时，样品从初始的高电阻状态变化到低电阻状态，这一过程称为set 过程。在施加负向电压时，样品从低电阻态转换为高阻态，这一过程称为reset 过程。样品的电阻开关比最大值1.8，而黑暗条件下最大开关比为1.06。同时正向电压下的电阻开关特性（最大开关比1.8）比负向电压下的电阻开关特性（最大开关比1.5）更明显，这显示了典型的不对称性特征。I-V 曲线的不对称行为表明在样品的界面上形成了肖特基势垒。可以看出，白光对样品的电阻开关特性和电流值有明显的调控作用。

图3

图3（a）为Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO 薄膜器件在光照强度为1.2mW/cm2下不同循环圈数图，其I-V 曲线没存在明显的重复，但显示出电阻开关特性。图3(b)中显示了电阻开关耐久性特性，其中电阻在0.32V 读取。高阻态随连续开关周期有微弱的下降，I-V 曲线重复了30 多次。电阻值随连续开关周期慢慢降低，最后慢慢稳定下来。

Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO 薄膜器件的电阻开关特性应该来源于样品内部氧空位对电子的捕获/释放机制。器件在沉积过程中内部有许多缺陷、杂质和氧空位生成的陷阱。在黑暗中，样品界面处的电子很少，氧空位在界面处也很少。因此，在内建电场中，很少电子被氧空位俘获和释放，观察到样品的电阻开关特性较小。光照条件下，由于样品吸收光子能量，样品内部的电子从价带跃迁到导带，样品内形成大量的光生电子- 空穴对。当正向初始电压时，样品内部的电子被层与层之间接触的氧空位捕获，样品处于高电阻状态，随着扫描电压的增加，氧空位与被捕获的电子在外电场作用下分离，载流子密度增加，样品导电性增强。当正向电压增加到Vset 时。样品从高电阻状态变为低电阻状态，发生set 过程。当施加负向扫描电压时，电子被氧空位捕获，载流子密度降低，样品导电性减弱。当负向电压增加到Vreset 时，样品从低电阻状态变为高电阻状态，发生reset 过程。在外电场作用下光生电子参与导电，载流子密度增加，在扫描电压下，被捕获的电子才能够完全被释放，从而导致光照条件下的样品存在较大的电阻开关比。

4 结论

研究了Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO 薄膜器件的电阻开关特性。Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO 薄膜器件在黑暗和光照强度1.2mW/cm2条件下，均表现出双极性电阻开关特性。白光优化增强了薄膜器件的电阻开关现象（电流大小、开关比和持久性），原因是白光照射器件造成光生电子参与氧空位对电子的捕获/释放。在连续的开关周期中，电阻值开关相对稳定。Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO 薄膜器件的电阻开关特性应该来源于样品内部。本工作可用于Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO 纳米薄膜器件探索光学控制非易失性存储器器件中的多功能材料和应用。