溫度對(duì)鐵電隧道結(jié)隧穿電阻效應(yīng)的影響

王一豪，陳賡，章天金，馬志軍

(1.湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430062;2.湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖北 武漢 430062)

0 引言

基于金屬-絕緣體-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)的非易失性電阻反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)器已被廣泛研究[1]，該類存儲(chǔ)器的電阻反轉(zhuǎn)基于導(dǎo)電細(xì)絲的形成和熔斷，而導(dǎo)電細(xì)絲傳導(dǎo)路徑通常由絕緣體內(nèi)部或金屬/絕緣體界面附近的缺陷和金屬遷移形成．但是，當(dāng)施加足夠大的電壓時(shí)，絕緣層中形成的缺陷及形變會(huì)破壞這種導(dǎo)電細(xì)絲過(guò)程，因此該類存儲(chǔ)器屬于破壞性存儲(chǔ)．為了克服這種缺陷，人們開(kāi)始從材料的特性出發(fā)研究新型的存儲(chǔ)器件，目前最熱門的話題之一是鐵電隧道結(jié)(FTJs)[2-4]．所謂鐵電隧道結(jié)，即是兩個(gè)電極夾一層超薄鐵電層的三明治結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)的特性是其電阻大小與其中鐵電薄膜層的極化取向有關(guān)：當(dāng)極化方向發(fā)生改變時(shí)，其電阻也會(huì)發(fā)生改變，即極化反轉(zhuǎn)引起電阻反轉(zhuǎn)．鐵電隧道結(jié)的這種特性被稱為隧穿電阻(TER)效應(yīng)．因此，鐵電隧道結(jié)中鐵電層的兩個(gè)極化取向?qū)?yīng)高、低兩種阻態(tài)，可分別代表“0”和“1”兩個(gè)邏輯態(tài)，從而可實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)．以鐵電隧道結(jié)為存儲(chǔ)單元的新型存儲(chǔ)器由于量子隧穿效應(yīng)而具有非破壞性讀取、高存儲(chǔ)密度、高靈敏度、低功耗、易于集成等優(yōu)勢(shì)，可以解決傳統(tǒng)存儲(chǔ)器中存在的問(wèn)題.因此，鐵電隧道結(jié)在存儲(chǔ)與傳感器件、智能器件等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，是當(dāng)前材料科學(xué)、信息科學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4-8]．

對(duì)于鐵電隧道結(jié)而言，TER值是一個(gè)關(guān)鍵的性能參數(shù)．TER值越大，信號(hào)的輸出水平就越高，也就能更清楚地區(qū)分兩個(gè)邏輯阻態(tài)．這對(duì)鐵電隧道結(jié)的投入實(shí)際應(yīng)用和提高器件使用壽命有著至關(guān)重要的意義．許多研究工作都圍繞提高TER值而努力，而環(huán)境溫度也會(huì)影響電子的輸運(yùn)特性，因此也會(huì)對(duì)隧道結(jié)的性能產(chǎn)生影響．研究鐵電隧道結(jié)的溫度特性，有助于加深對(duì)鐵電隧道結(jié)電子輸運(yùn)的認(rèn)識(shí)．Contreras等人研究了溫度對(duì)Pt/PbZr0.52Ti0.48O3(6 nm)/SrRuO3鐵電隧道結(jié)電子輸運(yùn)機(jī)制的影響，發(fā)現(xiàn)在4.2～300.0 K的溫度范圍內(nèi)，聲子輔助的非彈性隧穿一直占主導(dǎo)地位[9]．Wen等人發(fā)現(xiàn)Pt/BaTiO3/SrRuO3隧道結(jié)的TER值隨溫度降低而升高，在50 K時(shí)達(dá)到飽和[10]．Pb0.2Zr0.8TiO3具有良好的鐵電性，是鐵電領(lǐng)域研究比較多的一種材料．Nb摻雜SrTiO3(Nb:SrTiO3)是n型半導(dǎo)體材料，與Pb0．2Zr0．8TiO3具有類似的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，可以作為底電極使用．但以Nb:SrTiO3為底電極和Pb0.2Zr0.8TiO3為鐵電層制備鐵電隧道結(jié)鮮見(jiàn)報(bào)道．

本文中，我們采用脈沖激光(PLD)與磁控濺射技術(shù)制備Pt/Pb0.2Zr0.8TiO3(PZT)/Nb:SrTiO3(NSTO)鐵電隧道結(jié),研究環(huán)境溫度對(duì)隧穿電阻效應(yīng)的影響．結(jié)果表明，TER值隨著環(huán)境溫度的增加而減?。疁囟纫蕾嚨妮斶\(yùn)機(jī)制可以解釋溫度對(duì)鐵電隧道結(jié)性能的影響．

1 實(shí)驗(yàn)

選擇尺寸為5 mm × 5 mm × 0.5 mm，取向?yàn)?001)的NSTO襯底，經(jīng)過(guò)乙醇和異丙醇的超聲清洗襯底表面得殘留物后，迅速用氮?dú)獯蹈?再將清洗好的襯底用高溫銀漿固定在襯底托上，放入PLD腔體中分別沉積PZT薄膜．然后利用磁控濺射方法在薄膜上沉積直徑大小10 μm 的Pt頂電極.PZT沉積條件：襯底溫度600 ℃，氧壓30 Pa，激光能量260 mJ．Pt電極磁控濺射工藝：功率40 W，Ar分壓0.5 Pa，濺射時(shí)長(zhǎng)50 s．PZT薄膜的表面形貌用MFP-3D Infinity型原子力顯微鏡(AFM)進(jìn)行檢測(cè)．鐵電隧道結(jié)的電學(xué)性能采用實(shí)驗(yàn)室搭建的多場(chǎng)耦合測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試．電學(xué)測(cè)試過(guò)程中電壓施加在Pt頂電極上，NSTO底電極接地．

2 結(jié)果與討論

圖1(a)和圖1(b)分別為3 nm和4 nm厚PZT薄膜的AFM表面形貌，AFM掃描區(qū)域?yàn)? μm×5 μm．可以看出兩種厚度的PZT薄膜表面平整無(wú)大顆粒，表明薄膜質(zhì)量較好．圖2(a)為PZT厚3 nm的Pt/PZT/NSTO鐵電隧道結(jié)在室溫下的I-V特性曲線．測(cè)試每一條曲線之前，采用 + 3 V或 - 3 V的脈沖電壓使PZT薄膜的極化指向底電極或頂電極．可以看出，當(dāng)PZT的極化指向底電極NSTO時(shí)隧道結(jié)處于低阻態(tài)，當(dāng)PZT的極化指向頂電極Pt時(shí)隧道結(jié)處于高阻態(tài)．這種隧道結(jié)高低阻態(tài)與鐵電層極化的取向的關(guān)系與文獻(xiàn)報(bào)道一致[11]．圖2(b)為PZT厚4 nm的Pt/PZT/NSTO鐵電隧道結(jié)的I-V特性曲線．隨著鐵電層厚度的增加，隧穿電流隨之減小，這是由于勢(shì)壘變寬導(dǎo)致隧穿幾率減小的緣故．

圖1 不同厚度(a) 3 nm;(b)4 nm的PZT薄膜的AFM圖譜

定義TER值為低阻態(tài)與高阻態(tài)的電流大小之比．計(jì)算表明，在讀電壓為 + 0.1 V時(shí)，鐵電層厚度為3 nm與4 nm的隧道結(jié)的TER值分別為6和34．TER值隨鐵電層厚度增大而增大可以解釋為隧道結(jié)的勢(shì)壘非對(duì)稱性增加．當(dāng)隧道結(jié)的勢(shì)壘非對(duì)稱性增加時(shí)，兩不同極化狀態(tài)對(duì)應(yīng)的的隧道結(jié)平均勢(shì)壘高度差別增大，使得TER值增大．由于兩種厚度的PZT薄膜表面質(zhì)量沒(méi)有明顯差別，因此可以認(rèn)為薄膜表面質(zhì)量對(duì)TER值沒(méi)有影響．

圖2 不同鐵電層厚度(a) PZT 3 nm;(b)PZT 4 nm 的Pt/PZT/NSTO鐵電隧道結(jié)的I-V曲線圖中↓表示極化向下?tīng)顟B(tài)(指向底電極)，↑表示極化向上狀態(tài)(指向頂電極)

為了研究鐵電隧道結(jié)的溫度特性，測(cè)試PZT厚4 nm的Pt/PZT/NSTO鐵電隧道結(jié)在不同溫度下的I-V曲線，溫度范圍為50 ～ 290 K，如圖3所示．測(cè)試如前所述的方法，先施加-3 V (+3 V)的預(yù)極化電壓使隧道結(jié)處于高(低)阻態(tài)，然后用較小的電壓(- 0.2～+0.2 V)讀取電流．由于儀器分辨率的緣故，高阻態(tài)(圖3(a))對(duì)應(yīng)的電流數(shù)據(jù)在溫度很低時(shí)出現(xiàn)一些散亂的點(diǎn)．隨著溫度的增加，兩種阻態(tài)的電流都呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)．

圖3 Pt/PZT/NSTO鐵電隧道結(jié)(a)高阻態(tài)；(b)低阻態(tài)的不同溫度下的I-V曲線

為了更加清楚地觀察溫度對(duì)隧穿電阻效應(yīng)的影響，對(duì)PZT厚4 nm的Pt/PZT/NSTO鐵電隧道結(jié)進(jìn)行電阻-電壓(R-V)測(cè)試，如圖4所示．測(cè)試時(shí)施加 + 3 V的電壓脈沖使隧道結(jié)處于低阻態(tài)，然后按0 V → - 2 V→ 0 V→ +2 V → 0 V的順序進(jìn)行掃描．每施加一個(gè)寫脈沖電壓后，即施加 + 0.1 V的小電壓讀取電阻值．隨著溫度的增加，高低阻態(tài)間的差別變?。梢?jiàn)溫度對(duì)鐵電隧道結(jié)的輸運(yùn)具有重要的影響．隨著溫度的增加，直接隧穿將不再占據(jù)主導(dǎo)地位，熱電子發(fā)射得到加強(qiáng)，鐵電極化對(duì)電流的影響削弱，使高低阻態(tài)間的差別不再明顯，從而使性能發(fā)生劣化．

圖4 不同溫度下Pt/PZT/NSTO鐵電隧道結(jié)的R-V曲線圖中箭頭表示電壓掃描順序

提取上述不同溫度點(diǎn)下的高低阻態(tài)的電阻值之比，并重新定義其為TER值，作圖如圖5所示．隨著溫度的增加，隧道結(jié)的TER值呈下降的趨勢(shì)．溫度為50 K時(shí)，TER值較大(50)；在290 K時(shí)，TER值只有3．從這里更加直觀地看出溫度對(duì)隧道結(jié)隧穿電阻的影響．溫度升高時(shí)，熱電子發(fā)射機(jī)制將減小隧道結(jié)高低阻態(tài)間的差別．

圖5 溫度對(duì)Pt/PZT/NSTO鐵電隧道結(jié)TER效應(yīng)的影響

3 結(jié)論

采用PLD和磁控濺射方法制備Pt/PZT/NSTO鐵電隧道結(jié)，研究環(huán)境溫度對(duì)隧道結(jié)TER效應(yīng)的影響．隨著溫度的升高，TER值減?。@是由于溫度升高時(shí)熱電子發(fā)射逐漸加強(qiáng)，導(dǎo)致不同極化狀態(tài)下的隧穿電流及電阻的差異減?。?/p>