氧空位對Ag/Nb:SrTiO3/Au雙肖特基結阻變行為的影響

申婧翔，史莉莉

（長治學院化學系，山西長治046011）

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氧空位對Ag/Nb:SrTiO3/Au雙肖特基結阻變行為的影響

申婧翔，史莉莉

（長治學院化學系，山西長治046011）

將0.5wt%Nb:SrTiO3（NSTO）單晶襯底在不同含氧量的氣氛中進行退火處理，得到含有不同氧空位濃度的襯底表面。利用紫外光刻蝕技術和磁控濺射薄膜沉積技術在含不同氧空位濃度的NSTO表面沉積金屬Ag和Au電極構成三明治的Ag/NSTO/Au結構器件，并進行電學性能和阻變性能測試表征。結果表明，通過調控氧空位的濃度，可以改變肖特基勢壘寬度和高度，從而改善Ag/NSTO/Au器件的阻變性能。

氧空位；電子；肖特基勢壘；阻變效應；

1　引言

隨著電子產品的不斷改善，人們對其存儲速度、密度、功耗等存儲性能以及成本方面的要求隨之變得日益強烈。在這些需求的強烈驅動下，相繼出現了鐵電存儲器（FRAM）、相變存儲器（PRAM）、磁存儲器（MRAM）和阻變存儲器（RRAM）等四大類非揮發性存儲器件。與其它幾類非揮發性存儲器件相比，RRAM具有結構簡單、尺寸可縮小、功耗低、操作速度快、存儲密度高、保持性能優越以及與CMOS工藝兼容性好等優點，有望成為下一代非揮發性存儲器件的有力競爭者[1-2]。

RRAM器件單元具有簡單的三明治結構，由金屬-絕緣體-金屬或者金屬-絕緣體-半導體（MIM或者MIS）構成。金屬或者半導體分別用做頂電極和底電極，中間的絕緣體做阻變層材料。其中，能夠用于阻變器件的材料種類繁多，如有機材料、二元氧化物、鈣鈦礦結構的三元化合物和固態電解質材料等。在上述阻變材料中，由金屬與n型或p型半導體（多為過渡金屬氧化物）構成肖特基結的阻變存儲器件，如M/SrTiO3、M/La0.7Sr0.3MnO3（M=Au，Pd，Ni）以及Ti/Pr0.7Ca0.3MnO3[3-6]等的研究吸引了大量研究人員的注意。這些材料的共同點是均含有氧元素，在制備過程中會產生缺氧和富氧兩種情況，導致空穴或者電子對摻雜氧化物的形成，改變肖特基勢壘的高度和寬度[7]，從而影響器件的阻變效應。R.Yang[8]等人的研究發現基于結構Ag-Al合金/La0.67Ca0.33MnO3的阻變存儲器件的阻變性能要優于結構Ag/La0.67Ca0.33MnO3和結構Ag/La0.67Ca0.33MnO3。這些研究表明，金屬電極的種類及其與半導體的接觸界面對阻變存儲器件性能的影響不可忽略。

2　實驗內容

文章選用3片0.5wt%Nb:SrTiO3單晶體作為襯底，置于丙酮中超聲清洗干凈后取其中兩片襯底分別置于750℃的真空和750℃的空氣氣氛中進行退火處理30 min。另一片襯底則不做任何處理，分別將它們標記為真空-NSTO，空氣-NSTO 和non-NSTO。之后，采用紫外光刻蝕技術和磁控濺射技術在這三片襯底上分別沉積圓形金屬薄膜Ag和Au做為金屬頂電極和底電極，其厚度約為150 nm，面積大小約為1 mm2，構成Ag/NSTO/Au三明治結構的雙肖特基結存儲器件，如圖1所示。并利用KEITHLEY2400和KEITHLEY2000提供電壓電流源進行I-V和阻變性能的測試表征。

圖1　Ag/Nb:SrTiO3/Au結構的存儲器件

3　結果與分析

（1）I-V測試

在常溫下，分別對真空-NSTO，空氣-NSTO和non-NSTO處理后的NSTO所構成Ag/Nb:SrTiO3/Au的器件結構進行I-V掃描測試，所施電壓極性如圖1所示，并按0V→+2V→0V→-2V→0V的方式和大小進行I-V掃描。所得I-V曲線如圖2所示。標號1、2、3分別對應于真空-NSTO、non-NSTO和空氣-NSTO所構成Ag/Nb:SrTiO3/Au器件結構的I-V特性曲線，其中內框圖為所對應的半對數坐標下的I-V曲線。

圖2　真空-NSTO、non-NSTO和空氣-NSTO條件下Ag/NSTO/ Au的I-V特性，內框圖為其相對應的半對數坐標下的I-V曲線

圖3　在低阻態時Ag/NSTO/Au器件耗盡層厚度與氧空位濃度的關系（a）真空-NSTO，（b）non-NSTO，（c）空氣-NSTO

由圖2可知，3條曲線高、低阻態之間的電阻比值有明顯的差異，即阻變窗口大小有明顯差別，其中曲線1最大，曲線3最小。這可能是由金屬電極與NSTO接觸界面所含的氧空位濃度不同而引起的。由于氧空位濃度在相同的退火溫度下會隨著氣氛中氧含量的增加而減小，在相同的退火氣氛中隨著退火溫度的升高而降低[9]，所以這三者的氧空位濃度按真空-NSTO、non-NSTO和空氣-NSTO的順序依次減小。金屬電極Ag和Au的功函數分別為4.26eV和5.1eV，與n型半導體NSTO接觸時分別構成Ag/NSTO和Au/NSTO兩個肖特基結，其中功函數較大的Au與NSTO構成的肖特基結對阻變效應的貢獻占有主導作用。當Ag/NSTO/Au處于低阻態時，產生的電流大小主要由電子隧穿效應決定[10]，即由肖特基勢壘的寬度（Wd）決定，它隨氧空位濃度的變化如下圖3所示。（a）、（b）、（c）分別代表真空-NSTO、non-NSTO和空氣-NSTO三器件在正電場作用下Wd的變化，其氧空位濃度大小順序為（a）＞（b）＞（c），隨著氧空位濃度的增加，Au/NSTO肖特基結界面處的Wd隨之越來越薄，隧穿電流也就越來越大，所以三者電流大小順序為（a）＞（b）＞（c）。當Ag/NSTO/Au處于高阻態時，產生的電流大小主要由肖特基勢壘高度（qVD）決定，如圖4所示，qVD為肖特基勢壘高度，氧空位濃度越大者在施加反向電場時捕獲電子數目越多，致使NSTO能帶彎曲越嚴重，界面所產生的qVD越大，電子越過勢壘繼續流入金屬的數目越小，所產生的電流大小順序為（d）＜（e）＜（f）。綜上所述，氧空位濃度越大的器件在高、低阻態轉變的過程中所產生的電流比值越大，阻變窗口也就越大。

圖4　在高阻態時Ag/NSTO/Au器件肖特基勢壘高度與氧空位濃度的關系（d）真空-NSTO，（e）non-NSTO，（f）空氣-NSTO

（2）保持性能測試

為進一步驗證氧空位濃度對Ag/Nb:SrTiO3/Au存儲器件的阻變影響，分別測定了真空-NSTO和空氣-NSTO兩器件15000 s內在讀取電壓為+0.2 V下的保持性能，如圖5所示分別截取了兩器件在10000 s～15000 s內高、低阻態之間阻值的變化。圖5（a）和5（b）分別對應于器件真空-NSTO和空氣-NSTO。由圖可得兩器件在15000 s內高、低阻態的阻值變化都很穩定，均表現出了良好的保持性能。但是，從圖中也不難得出真空-NSTO和空氣-NSTO的高、低阻態之間的比值不同，分別約為1000和2。這正是兩器件的氧空位濃度不同而導致在外加電壓作用下的肖特基勢壘高度變化不同引起的，與I-V測試結果相吻合。

圖5　Ag/NSTO/Au結構的存儲器件在不同退火條件下的保持特性（a）真空-NSTO（b）空氣-NSTO

4　結論

通過退火處理的方式，制備了不同氧空位濃度的Ag/NSTO/Au的存儲器件，對其I-V性能和保持性能的測試表明，不同氧空位濃度的器件在極性外加電壓的作用下，捕獲或釋放電子，導致肖特基勢壘高度和寬度的該變量不同，從而引起阻變性能的變化。所以，通過調控氧空位的濃度，可以改善Ag/NSTO/Au器件的阻變性能。

［1］王源,賈嵩,甘學溫.新一代存儲技術-阻變存儲器［J］.北京大學報(自然科學版),2011,47(3):565-572.

［2］NishiY,JamesonJR.Recentprogeessin resisitance change memory［C］//IEEE.Internation DevicesResearchConference.SantaBarbara, 2008:271-274.

［3］Park C,Seo Y,Jung J,et al.Electrode-dependent electrical properties of metal/Nb-doped SrTiO3 junctions［J］.JApplPhys,2008,103(5): 054106-054106(4).

［4］Shang D S,Sun J R,Shi L,et al.Photoresponse of the Schottky junction Au/SrTiO3:Nb in different resistive states［J］.Appl Phys Lett,2008,93(10): 102106-102106(3).

［5］Sawa A,Fujii T,Kawasaki M,et al.Hysteretic current-voltagecharacteristicsandresistance switchingatarectifyingTi/Pr0.7Ca0.3MnO3 interface［J］.Appl Phys Lett,2004,85(18): 4073-4075.

［6］Pan R K,Xia Z C,He B Y,et al.Leakage current analysis of La0.67Sr0.33MnO3/Nb:SrTiO3junctions［J］. Appl Phys A,2014,116(4):1885-1889.

［7］張巖,唐為華,李培剛.基于肖特基勢壘電致阻變效應的研究［D］.杭州:浙江理工大學,2012.

［8］Yang R,Li X M,Yu W D,et al.Endurance improvement of resistace switching behaviors in the La0.67Ca0.33MnO3film based devices with Ag-Al alloy top electrodes［J］.J Appl Phys,2010,107 (6):063703-063703(5).

［9］Yin K B,Li M,Liu Y W,et al.Resistance switching in polycrystalline BiFeO3thin films［J］. Appl Phys Lett,2010,97(4):042101-042101(3).

［10］Shen Jing Xiang,Qian Hui Qin,Wang Guo Feng, et al.Temperature-dependent resistive switching behavior in the structure of Au/Nb:SrTiO3/Ti［J］. Appl Phys A,2013,111(1):303-308.

（責任編輯王璟琳）

Shen Jing-xiang，Shi Li-li
（Chemistry Department of Changzhi University,Changzhi Shanxi 046011）

O472

A

1673-2014（2016）02-0010-04

2016—01—12

申婧翔（1987—），女，山西長治人，碩士，助理實驗師，主要從事光電器件及水污染處理研究。