超薄BaTiO3鐵電薄膜隧穿機理研究

趙智超　吳鐵峰

摘要：使用磁控濺射法來對超薄BaTiO3的鐵電薄膜進行制備，對電子隧穿的過程進行分析，將電流和電壓所繪制出的曲線進行擬合，對單極性開關(guān)和雙極性開關(guān)的工作原理進行分析和討論。通過數(shù)據(jù)結(jié)果可以得知：在Pt/BaTiO3/Pt 隧道結(jié)中含有三種不同類型的物理機制，分別為Schottky 發(fā)射、SCLC 機制、P-F 發(fā)射。

關(guān)鍵詞：超薄BaTiO3鐵；電薄膜；隧穿機理

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）18-0245-03

BaTiO3是一種具有代表性的鐵電材料，具有較強的鐵電性、熱釋電性、壓電性和非線性光學(xué)特性等特性。目前，已經(jīng)在光電器件、微波器件、鐵電存儲器等多方面廣泛使用，已經(jīng)成為當(dāng)今世界上最為活躍的一種新型材料，引起社會相關(guān)人士的廣泛關(guān)注。對Pt上下電擊中超薄BaTiO3薄膜所具有的性質(zhì)進行研究，并且根據(jù)國際上相關(guān)的理論來對電阻開關(guān)效應(yīng)工作的機制進行分析和研究。

1 Pt/BaTiO3/Pt隧道結(jié)的隧穿機理

超薄BaTiO3薄膜中主要結(jié)構(gòu)是Pt/BaTiO3/Pt/Ti/SiO2。其中，Pt的功函數(shù)為5.65eV ， BaTiO3的禁帶寬度保持在2.9eV?？梢詫⒊aTiO3薄膜上下電極界面可以當(dāng)做是肖特基二板管，也就是說上下電極可以看做是電容器的兩極，BaTiO3作為介質(zhì)層，由于BaTiO3的電導(dǎo)率小很小，可以將兩極間漏電電阻可看作是電容器和直流電阻進行并聯(lián)。當(dāng)加入一個較大電壓在電極處時，氧空位會大量向底電極進行迅速移動。對細扮理論進行分析，當(dāng)氧空位密度達到一定的數(shù)值后，相鄰氧空位之間的間距變小，隨著外加電壓的不斷增加，勢壘會逐漸得變窄，電子越過勢壘的概率迅速提高。底電極和超薄BaTiO3所形成的導(dǎo)電細扮肖特基_極管瞬間消失，并且可以將其視為歐姆接觸等效電路圖。（如圖1所示）

在上電極位置加入三角板來對壓力進行測試，并且得出超薄BaTiO3電流和電壓之間的曲線圖。電壓的掃描順序：OV→10V→0V→10V→0V。（如圖2所示），圖2是底電極Pt的超薄BaTiO3隧道結(jié)初始狀態(tài)下電壓和電流之間的曲線圖，電壓和電流之間的關(guān)系為單極性電阻開關(guān)，并且1、2、3表示高阻態(tài)（HRS），4表示低阻態(tài)（LRS）。

在等效電路的頂端施加正向力來對電壓進行掃描，可以看出電場力的方向向右，超薄BaTiO3薄膜會受到空氣中的氧氣產(chǎn)生作用力，并且向右進行移動，電極中電子受到的作用力與其相反，從而向左進行移動，等效電路的上端的肖特基二極管處于一種截莊的狀態(tài)，電阻為高電阻狀態(tài)；當(dāng)?shù)刃щ娐返捻敹耸┘迂撓蛄韺﹄妷哼M行掃描時，可以看出電場力的方向向左，超薄BaTiO3薄膜會受到空氣中的氧氣產(chǎn)生作用力，并且向左進行移動，電極中電子受到的作用力與其相反，從而向右進行移動。當(dāng)電壓的數(shù)值過大或者過小，單元都處于一種高電阻的狀態(tài)，從而出現(xiàn)過程3xianx.dang負向電壓與閡值電壓相同時，氧空位會逐漸的向薄膜界面進行集中，并且使得肖特基勢壘迅速變窄，電子可以隨意從界面的兩邊進行跳躍和轉(zhuǎn)移，并且此時的單元處于低電阻的狀態(tài)。

在進行循環(huán)測試時，當(dāng)?shù)诙问┘诱螂娏鱽韺﹄妷哼M行掃描時，可以得出底電極為Pt的超薄BaTiO3隧道結(jié)的穩(wěn)態(tài)電流和電壓的曲線。電流和電壓之間的關(guān)系為雙極性電阻開關(guān)。電阻在正向電壓Vset將HRS轉(zhuǎn)換成LRS，電阻在負向電壓VReset處將LRS轉(zhuǎn)換為HRS。

在進行循環(huán)測試時，對其進行正方向的施加壓力然后對電壓進行測定時，可以得出結(jié)論：氧空位逐漸的向右進行移動，肖特基勢壘逐漸的變寬，并且電子難以從右側(cè)向左側(cè)進行跳躍。當(dāng)電壓過大或者過小時，少部分的電子可以穿過肖特基勢壘，當(dāng)正向閡值電壓為8.4V時，所有的電子則無法穿越肖特基勢壘，并且由LRS轉(zhuǎn)變?yōu)镠RS。當(dāng)施加負方向的壓力對電壓進行檢測時，薄膜界面處的粒子受力情況，當(dāng)電壓的負向數(shù)字到達一定的數(shù)值之后，肖特基勢壘逐漸的變窄，電子則非常容易穿過肖特基勢壘，電流和電壓的曲線又漸漸的開始從高電阻的狀態(tài)向低電阻的狀態(tài)進行轉(zhuǎn)變。

對肖特基勢壘的發(fā)射公式、電荷限制電流等物理公式進行綜合性的分析，對單極性和雙極性的電流和電壓形成的曲線圖進行擬合，對不同Pt/BaTiO3/Pt厚度的隧道結(jié)電子穿越的過程進行分析和研究。在進行循環(huán)測試電壓時，當(dāng)V>0V時，電阻不會發(fā)生發(fā)轉(zhuǎn)；當(dāng)V<0V時，高電阻的電壓和電流曲線中，電壓在0.6V-4.5V范圍內(nèi)，符合肖特基發(fā)射機制。曲線的斜率為3.96，；當(dāng)電壓在4.5V-9V范圍內(nèi)，符合P-F發(fā)射機制，曲線的斜率為1.42。低電阻狀態(tài)現(xiàn)電壓和電流的曲線中，當(dāng)電壓在0.4V-4V范圍內(nèi)，符合肖特基發(fā)射原理，并且曲線的斜率為6.69。

當(dāng)V>0V時，低電阻狀態(tài)下，當(dāng)電壓在0V-3.24V范圍內(nèi)，符合SCLC機制，曲線的斜率為2.34；當(dāng)電壓在5.5V-8V范圍內(nèi)時，可以看出，符合肖特基發(fā)射機制，曲線的斜率為2.17。當(dāng)電流在0V-3.3 V范圍內(nèi)，符合肖特基發(fā)射機制，曲線的斜率為4.41；當(dāng)電壓在5.4V-10V范圍內(nèi)，符合P-F發(fā)射機制，曲線的斜率為1.56。

當(dāng)電壓V<0V時，當(dāng)電壓在0V-5V范圍內(nèi)，符合SCLC機制，曲線的斜率為1.87；當(dāng)電壓在5V-10V范圍內(nèi)，符合肖特基發(fā)射機制，曲線的斜率為2.22，；當(dāng)電壓在5V-10V范圍內(nèi)，符合肖特基發(fā)射機制，曲線的斜率為0.78。

是一種好的導(dǎo)體，其中Nb含量為0.7%、電導(dǎo)率為7.0mcm。上下電極是電容器的兩極可以將其看作是肖特基二極管，BaTiO3的禁帶寬度為2.9eV。BaTiO3不具有導(dǎo)電性，可以將其看做是介質(zhì)層，那么上下兩極的漏電電阻可以理解為是在電容器上并聯(lián)了一個直流電阻模塊。當(dāng)在上部電極位置施加-20V電壓時，氧空位為逐漸的向上電極處進行移動。基于細絲理論進行分析，當(dāng)氧空位的密度達到一定數(shù)值后，相鄰之間的距離很小，并且在外加電壓的影響下，肖特基勢壘會逐漸的變窄，電子穿過肖特基勢壘的概率明顯增加，從而上部電極和薄膜形成一種可以導(dǎo)電的細絲，此時，可以將其理解為歐姆接觸。如圖3所示。

其次繼續(xù)在上部電極處施加電壓進行三角波循環(huán)測試，電壓的掃描順序由0V增加到10V，然后在由10V降低到0V，重復(fù)一次。

當(dāng)在底部電極施加正向電壓進行測試時，界面周圍的氧空位會逐漸的向右邊進行移動，由于施加的正向電壓過小，肖特基勢壘不會變窄，則電子無法穿越過勢壘。當(dāng)繼續(xù)增加電壓數(shù)值，直至達到閡值電壓時，肖特基勢壘會逐漸的變窄，從而電子可以穿過勢壘，隧道結(jié)由高電阻狀態(tài)向低電阻狀態(tài)進行變化；當(dāng)在底部電極施加負向電壓進行測試時，界面位置處粒子受到作用力發(fā)生移動，由于施加的負向電壓過小，少部分的電子可以穿過肖特基勢壘。當(dāng)繼續(xù)增加負向電壓時，直至達到P值電壓時，肖特基勢壘逐漸變寬，電子難以穿過勢壘，此時，隧道結(jié)從低電阻狀態(tài)向高電阻狀態(tài)進行轉(zhuǎn)變。

基于普爾一弗倫克爾發(fā)射理論、肖特墓發(fā)射的物理公式以及空間電荷限制電流理論來對電流-電壓曲線圖中的單極性、雙極性特征曲線進行擬合，從而更加系統(tǒng)的對Nb隧道結(jié)隧的隧穿原理進行分析和討論。

當(dāng)電壓大于0V時，高電阻狀態(tài)下電流-電壓的曲線在1.5-6.5V范圍內(nèi)出現(xiàn)，并且曲線的斜率為4.34，此時符合肖特基發(fā)射原理；當(dāng)電壓大于0V時，低電阻狀態(tài)下電流-電壓的曲線在0-2.7V范圍內(nèi)出現(xiàn)，并且曲線的斜率為5.72，此時符合肖特基發(fā)射原理。

當(dāng)電壓小于0V時，低電阻狀態(tài)下電流-電壓的曲線在0-2.5V范圍內(nèi)出現(xiàn)，并且曲線的斜率為6.65，此時符合肖特基發(fā)射原理；當(dāng)電壓小于0V時，高電阻狀態(tài)下電流-電壓的曲線在2-4.5V范圍內(nèi)出現(xiàn)，并且曲線的斜率為6.07，此時符合肖特基發(fā)射原理；當(dāng)電壓小于0V時，高電阻狀態(tài)下電流-電壓的曲線在4.5-10V范圍內(nèi)出現(xiàn)，此時符合P-F發(fā)射原理。

3 結(jié)論

通過Pt/BaTiO3/Pt隧道結(jié)的電流與電壓進行研究，借助物理模型，對測量所得到的實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合。對不同厚度BaTiO3隧道結(jié)的單極性、雙極性開關(guān)的物理機制進行分析，通過實現(xiàn)數(shù)據(jù)可知：薄膜中包含3種物理機制，其中SCLC機制為主要機制，肖特基發(fā)射為次要機制，最后是P-F發(fā)射。

參考文獻：

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