Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO薄膜器件光控電阻開關(guān)特性研究

李秀林 陳 鵬*

（西南大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶400715）

1 概述

隨著微納器件的廣泛發(fā)展進(jìn)步，尤其是在Flash 存儲(chǔ)器發(fā)展遇到瓶頸以后，迫切需要發(fā)展下一代的非易失存儲(chǔ)技術(shù)[1-3]。目前，磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）、鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（FeRAM）、相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（PCRAM）和電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RRAM）可預(yù)測(cè)地滿足對(duì)存儲(chǔ)器設(shè)備的新要求。其中，電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器引起了研究人員的廣泛關(guān)注。電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Resistive Random Access Memory, RRAM）是利用某些薄膜材料中發(fā)生的電阻變化來實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)。由于電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器在電阻開關(guān)的過程中，外加的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度等只影響薄膜材料中的電子結(jié)構(gòu)的排列。因此，從理論上講，電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器具有非常優(yōu)良的可縮小性能。同時(shí)它幾乎具有新一代電子器件所要求的速度更快、功耗更低、成本更低、密度更高、更加環(huán)保、可3D 集成等特性，是最有可能成為新一代優(yōu)良電子存儲(chǔ)器件的候選產(chǎn)品[4]。

電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器通常是一個(gè)三明治的結(jié)構(gòu)，即由上下兩個(gè)電極和中間的阻變層組成。根據(jù)報(bào)道的具有電阻開關(guān)特性的阻變層，從材料角度大體上可以分為以下三類：氧化物阻變材料、有機(jī)阻變材料和固態(tài)電解液阻變材料。其中，氧化物阻變材料又可以細(xì)分為多元氧化物阻變材料和二元氧化物阻變材料，主要包含PrxCa1-xMnO3、SrTiO3、SrRuO3等多元金屬氧化物和HfO2、TaOx、Al2O3、NiO、ZnO2等二元金屬氧化物[5]。金屬氧化物因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、微縮性好、與CMOS 電路有良好兼容等優(yōu)點(diǎn)，受到廣大科研人員關(guān)注。BiFeO3是少數(shù)幾種室溫下具有鐵磁性和鐵電性的多鐵材料之一，也是很好的光電材料（能隙約為2.1eV），在可見光頻率范圍內(nèi)（3.9×1014-8.6×1014HZ），電磁波就能對(duì)它產(chǎn)生調(diào)制作用。在過去幾年中，光一直被用作電阻開關(guān)存儲(chǔ)器件的一種新控制方法，因?yàn)閁ngureanu[6]報(bào)告了Pd/Al2O3/SiO2器件中的光學(xué)控制電阻開關(guān)存儲(chǔ)器。從那時(shí)起，光學(xué)控制電阻器的開關(guān)效應(yīng)已成為光學(xué)控制非易失性存儲(chǔ)器器件的潛在發(fā)展方向。

在本文中， 我們通過磁控濺射法制備了Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO 薄膜器件，并利用電脈沖法和可見光照研究了電阻開關(guān)特性。

2 制備

開始先對(duì)托盤、操作工具、基底和掩模板進(jìn)行清洗。依次用酒精、丙酮、去離子水、丙酮、酒精在頻率為30KHz 的超聲波中對(duì)托盤、操作工具、基底和掩模板進(jìn)行清洗，每次時(shí)間為30 分鐘。本實(shí)驗(yàn)使用高純度靶材，其原料純度均大于99.99%。在室溫下，通過射頻磁控濺射法在ITO 襯底上沉積CoFeB 層。在CoFeB 層沉積了BiFeO3層。在BiFeO3層沉積Ag 電極(直徑1 毫米)作為上電極。樣品下電極為ITO。實(shí)驗(yàn)過程背景真空為2.4×10-5Pa,高純氬氣流量為30.0sccm。Ag/BiFeO3/CoFeB 在1.0Pa 的高純度氬氣壓強(qiáng)下沉積。普通白熾燈作為實(shí)驗(yàn)時(shí)所用光源，可見光的波長(zhǎng)范圍為390-760 納米。

3 結(jié)果和討論

電流- 電壓 (I-V) 曲線用Keithley 2400 源表測(cè)量。Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO 器件的結(jié)構(gòu)和測(cè)量條件如圖1 所示，其中Ag 和ITO 分別是頂部和底部電極，頂部電極的直徑為1 毫米。

圖1

圖1 為實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路，其中Ag 和ITO 分別是頂部和底部電極，頂部電極的直徑為1 毫米。

圖2

圖2(a)為Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO 薄膜器件在黑暗和光照強(qiáng)度為1.2mW/cm2的I-V 曲線特性。（b）為樣品的I-V 曲線的對(duì)數(shù)圖像。在室溫下的I-V 曲線測(cè)量期間，直流電壓掃描為：0→+0.66V→0V→-0.66V→0V。如圖2(a，b)中I-V 曲線的箭頭所示表示掃描順序，掃描速率為0.03V/s。圖2(a，b)可以看到，在黑暗中，樣品電阻開關(guān)特性較小，但在光照強(qiáng)度為1.2mW/cm2下，樣品表現(xiàn)出明顯的雙極性電阻開關(guān)特性。在圖2(a)中，在0.65V 讀取電壓下，在黑暗和光照強(qiáng)度1.2mW/cm2下，樣品的最大電流值分別是6.5mA、11.3mA。在光照強(qiáng)度1.2mW/cm2下，施加正向電壓時(shí)，樣品從初始的高電阻狀態(tài)變化到低電阻狀態(tài)，這一過程稱為set 過程。在施加負(fù)向電壓時(shí)，樣品從低電阻態(tài)轉(zhuǎn)換為高阻態(tài)，這一過程稱為reset 過程。樣品的電阻開關(guān)比最大值1.8，而黑暗條件下最大開關(guān)比為1.06。同時(shí)正向電壓下的電阻開關(guān)特性（最大開關(guān)比1.8）比負(fù)向電壓下的電阻開關(guān)特性（最大開關(guān)比1.5）更明顯，這顯示了典型的不對(duì)稱性特征。I-V 曲線的不對(duì)稱行為表明在樣品的界面上形成了肖特基勢(shì)壘?？梢钥闯?，白光對(duì)樣品的電阻開關(guān)特性和電流值有明顯的調(diào)控作用。

圖3

圖3（a）為Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO 薄膜器件在光照強(qiáng)度為1.2mW/cm2下不同循環(huán)圈數(shù)圖，其I-V 曲線沒存在明顯的重復(fù)，但顯示出電阻開關(guān)特性。圖3(b)中顯示了電阻開關(guān)耐久性特性，其中電阻在0.32V 讀取。高阻態(tài)隨連續(xù)開關(guān)周期有微弱的下降，I-V 曲線重復(fù)了30 多次。電阻值隨連續(xù)開關(guān)周期慢慢降低，最后慢慢穩(wěn)定下來。

Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO 薄膜器件的電阻開關(guān)特性應(yīng)該來源于樣品內(nèi)部氧空位對(duì)電子的捕獲/釋放機(jī)制。器件在沉積過程中內(nèi)部有許多缺陷、雜質(zhì)和氧空位生成的陷阱。在黑暗中，樣品界面處的電子很少，氧空位在界面處也很少。因此，在內(nèi)建電場(chǎng)中，很少電子被氧空位俘獲和釋放，觀察到樣品的電阻開關(guān)特性較小。光照條件下，由于樣品吸收光子能量，樣品內(nèi)部的電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，樣品內(nèi)形成大量的光生電子- 空穴對(duì)。當(dāng)正向初始電壓時(shí)，樣品內(nèi)部的電子被層與層之間接觸的氧空位捕獲，樣品處于高電阻狀態(tài)，隨著掃描電壓的增加，氧空位與被捕獲的電子在外電場(chǎng)作用下分離，載流子密度增加，樣品導(dǎo)電性增強(qiáng)。當(dāng)正向電壓增加到Vset 時(shí)。樣品從高電阻狀態(tài)變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)，發(fā)生set 過程。當(dāng)施加負(fù)向掃描電壓時(shí)，電子被氧空位捕獲，載流子密度降低，樣品導(dǎo)電性減弱。當(dāng)負(fù)向電壓增加到Vreset 時(shí)，樣品從低電阻狀態(tài)變?yōu)楦唠娮锠顟B(tài)，發(fā)生reset 過程。在外電場(chǎng)作用下光生電子參與導(dǎo)電，載流子密度增加，在掃描電壓下，被捕獲的電子才能夠完全被釋放，從而導(dǎo)致光照條件下的樣品存在較大的電阻開關(guān)比。

4 結(jié)論

研究了Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO 薄膜器件的電阻開關(guān)特性。Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO 薄膜器件在黑暗和光照強(qiáng)度1.2mW/cm2條件下，均表現(xiàn)出雙極性電阻開關(guān)特性。白光優(yōu)化增強(qiáng)了薄膜器件的電阻開關(guān)現(xiàn)象（電流大小、開關(guān)比和持久性），原因是白光照射器件造成光生電子參與氧空位對(duì)電子的捕獲/釋放。在連續(xù)的開關(guān)周期中，電阻值開關(guān)相對(duì)穩(wěn)定。Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO 薄膜器件的電阻開關(guān)特性應(yīng)該來源于樣品內(nèi)部。本工作可用于Ag/BiFeO3/CoFeB/ITO 納米薄膜器件探索光學(xué)控制非易失性存儲(chǔ)器器件中的多功能材料和應(yīng)用。