Al2O3憶阻器中氧空位對(duì)阻值轉(zhuǎn)換性能的影響研究

王劍宇，王 立

(南昌大學(xué)物理學(xué)系，江西 南昌 330031)

近年來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)阻值轉(zhuǎn)換的憶阻器引起了研究者廣泛的興趣，在存儲(chǔ)器件及仿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算等方面有著重要的應(yīng)用[1-4]。早在1961年Hickmott就研究報(bào)導(dǎo)了SiOx、Al2O3、Ta2O5、ZrO2以及TiO2五種氧化物薄膜中的阻值轉(zhuǎn)換現(xiàn)象[5]，之后更多材料也被證明存在類似的阻值轉(zhuǎn)換效應(yīng)[6-8]。隨著對(duì)于非Si材料存儲(chǔ)器件研究的興起，關(guān)于這類材料在存儲(chǔ)器件的應(yīng)用重新引起了人們的興趣。2008年，Strukovd等人把普遍存在的電阻轉(zhuǎn)變現(xiàn)象與蔡少棠1971年理論上提出的憶阻器[9]聯(lián)系起來(lái)，制備得到了基于TiO2材料的憶阻器器件[10]。由于這類憶阻器高擴(kuò)展性，低功耗以及和傳統(tǒng)CMOS工藝兼容的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于存儲(chǔ)器件、模擬邏輯電路以及模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面[11-13]。金屬氧化物作為一類具有阻值轉(zhuǎn)換現(xiàn)象的材料，在憶阻器的制備中有著重要的應(yīng)用[14-16]。本文通過制備基于Al2O3材料的憶阻器器件，測(cè)試并研究其憶阻器的阻值轉(zhuǎn)換性能，探索并證實(shí)了氧空位在高阻態(tài)與低阻態(tài)間轉(zhuǎn)換中的重要作用，對(duì)于憶阻器器件的生長(zhǎng)制備及應(yīng)用有著重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 Al2O3憶阻器制備方法

本文的Al2O3憶阻器是制備是基于SiO2/Si襯底得到的。在制備過程中，首先通過酒精及丙酮清洗并超聲得到潔凈的SiO2/Si片襯底(2×2 cm)。然后，利用掩模版并通過電子束蒸發(fā)的方法在襯底上蒸鍍得到厚度約為80 nm的條形Pt下電極。這里，為了避免Pt電極脫落，在蒸鍍Pt之前先蒸鍍約20 nm厚的TiN以增強(qiáng)和襯底之間的黏附作用。在Pt電極蒸鍍完成后，通過原子層沉積方法(atomic layer deposition,ALD)生長(zhǎng)約20 nm厚的Al2O3薄膜。最后在Al2O3薄膜上再蒸鍍100 nm厚的條形Pt上電極，得到基于Pt-Al2O3-Pt金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)的憶阻器器件。器件結(jié)構(gòu)示意圖及照片如圖1中所示。

圖1 (a)Al2O3憶阻器結(jié)構(gòu)示意圖及(b)光學(xué)照片

1.2 Al2O3憶阻器中氧空位的引入

Al2O3憶阻器中氧空位是通過控制ALD生長(zhǎng)Al2O3薄膜中的參數(shù)引入的。作為對(duì)比，本文中制備了兩個(gè)樣品，分別為氧空位較多和氧空位較少的情況。本實(shí)驗(yàn)采用三甲基鋁(TMA)為Al源，以H2O作為O源，N2為載氣。在樣品1的Al2O3薄膜生長(zhǎng)過程中，TMA和H2O的循環(huán)比例按照5：4進(jìn)行。即在每5次TMA和H2O的循環(huán)中減去1次H2O的循環(huán)，以達(dá)到減少O源從而增加氧空位的目的。作為對(duì)比，樣品2的Al2O3薄膜生長(zhǎng)過程中TMA和H2O的循環(huán)比例按照1：1進(jìn)行。

1.3 Al2O3憶阻器的表征及測(cè)試

Al2O3憶阻器的電學(xué)性能測(cè)量是通過半導(dǎo)體測(cè)試儀(Keithley 2400)在探針臺(tái)上完成的。在測(cè)量過程中，兩個(gè)探針分別接到憶阻器的Pt上電極和下電極，通過循環(huán)掃描測(cè)量Ⅰ—Ⅴ曲線變化情況，研究憶阻器性能。憶阻器中Al2O3薄膜的氧空位是通過X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy， XPS)方法表征的。

2 結(jié)果與討論

2.1 電學(xué)測(cè)試結(jié)果

對(duì)憶阻器而言，其“憶阻”性能主要體現(xiàn)在高阻態(tài)和低阻態(tài)間的轉(zhuǎn)換，而觸發(fā)二者間切換的因素是電壓。當(dāng)外加壓高于臨界電壓時(shí)，憶阻器的阻值就會(huì)在在高阻態(tài)和低阻態(tài)間轉(zhuǎn)換。因此，通過循環(huán)施加正負(fù)電壓(電壓最大值高于臨界電壓)，并記錄電流變化，便可以觀察到Al2O3薄膜的電阻值在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間往復(fù)變化。對(duì)作為對(duì)比的樣品1和樣品2，分別測(cè)量了其Ⅰ—Ⅴ曲線5個(gè)周期的變化情況，如圖2和圖3中所示。

Voltage/V

Voltage/V

由圖2中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)正向增加到6 V左右時(shí)，測(cè)量電流表現(xiàn)出突然的減小，反映出Al2O3薄膜的電阻值發(fā)生了變化，即從低阻態(tài)轉(zhuǎn)換到了高阻態(tài)。反之，當(dāng)反向增加到-6 V左右時(shí)，電流突然增加，Al2O3薄膜由高阻態(tài)轉(zhuǎn)換到了低阻態(tài)。在整個(gè)掃描過程中，Al2O3薄膜的電阻值在兩個(gè)狀態(tài)間反復(fù)切換，顯示出良好的憶阻器性能。而在圖3即樣品2的Ⅰ—Ⅴ曲線中，則沒有觀察到明顯的電流突變現(xiàn)象，表明其憶阻器阻值轉(zhuǎn)換性能并不明顯。這里，樣品1與樣品2電流大小的差異可能是由于測(cè)量過程中接觸電阻及有效接觸面積差異等因素的影響。

為對(duì)比兩種樣品的憶阻器性能，我們研究了高低阻態(tài)阻值比在5次電壓掃描中變化，如圖4中所示。可以看到樣品1的阻值比明顯高于樣品2，且在幾次循環(huán)中基本穩(wěn)定，而樣品2的阻值比在2次循環(huán)后就基本接近于1。這一結(jié)果也表明樣品1的憶阻器性能要遠(yuǎn)好于樣品2。

Sweep times

2.2 Al2O3薄膜中的氧空位表征

樣品1和樣品2的主要區(qū)別體現(xiàn)在Al2O3薄膜中的氧空位的差異。因此，研究表征兩個(gè)樣品中氧空位的具體差別，有助于幫助分析氧空位在Al2O3憶阻器中的作用。這里我們通過XPS方法表征了Al2O3薄膜中Al和O元素的組分關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在樣品1中Al和O的原子比為1：1.323，而在樣品2中，其比值為1：1.457。標(biāo)準(zhǔn)的Al2O3材料中Al和O的原子比應(yīng)該為1：1.5，相比之下樣品1和樣品2中O元素的比例均小于1.5，說(shuō)明二者均含有一定的氧空位。此外，對(duì)比樣品1的和樣品2中O比例，可以發(fā)現(xiàn)樣品1中的氧空位數(shù)量要遠(yuǎn)大于樣品2。

圖5是樣品1和樣品2的Al2O3薄膜的Al2p XPS光譜圖像，可以看到樣品1相比于樣品2多了一個(gè)峰，并且峰位也有所偏移。這里樣品1在70 eV左右的特征峰可能是由于氧空位較多，從而部分Al原子成鍵方式和Al2O3中的Al-O鍵不一致導(dǎo)致的。在Al2p XPS光譜中，Al-Al鍵峰位一般位于73 eV處，樣品1中的峰位紅移可以認(rèn)為是由于Al-Al成鍵數(shù)增加導(dǎo)致的[17-18]。這一差異也表明樣品1中的氧空位缺陷數(shù)量的確要遠(yuǎn)高于樣品2，并體現(xiàn)在XPS譜的峰位變化中。

Binding energy/eV

2.3 氧空位在Al2O3憶阻器中的作用

在Pt-Al2O3-Pt的金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)中，如果沒有外加電場(chǎng)，氧空位在Al2O3薄膜中隨機(jī)分布，如圖6中所示。當(dāng)在上電極外加正電壓后，氧空位在電場(chǎng)作用下向下電極聚集，隨著電壓增大到一個(gè)臨界值，氧空位連通上電極和下電極，形成導(dǎo)電通道。此時(shí)電荷會(huì)優(yōu)先通過導(dǎo)電通道傳輸，在宏觀上體現(xiàn)出電阻的突然減小，整個(gè)憶阻器由高阻態(tài)轉(zhuǎn)換為低阻態(tài)。而當(dāng)上電極外加負(fù)電壓時(shí)，氧空位在電場(chǎng)作用下向上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致導(dǎo)電通道斷開，宏觀上體現(xiàn)為電阻的增加，整個(gè)憶阻器由低阻態(tài)轉(zhuǎn)換為高阻態(tài)[19-20]。氧空位在憶阻器的不同阻態(tài)間的切換中扮演了重要的角色，因此，存在較多氧空位的樣品1顯示出較好的憶阻器性能，而樣品2則未觀察到明顯的阻態(tài)轉(zhuǎn)換。

圖6 Al2O3憶阻器中氧空位作用示意圖

3 結(jié)論

本文在Si襯底上制備得到了Pt-Al2O3-Pt的金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)的憶阻器器件。通過控制ALD生長(zhǎng)參數(shù)得到了不同氧空位濃度的兩個(gè)樣品，其中Al和O原子數(shù)比分別為1：1.323和1：1.457。電學(xué)測(cè)量結(jié)果觀察到只有有較多氧空位的樣品中才顯現(xiàn)出憶阻器的阻值轉(zhuǎn)換特性，表明在Al2O3薄膜中的氧空位對(duì)于憶阻器的性能有著顯著的影響。本文的研究成果對(duì)于理解氧化物憶阻器原理有著重要意義，在制備憶阻器器件及存儲(chǔ)器件應(yīng)用等方面有重要的作用。