铁电及常规Schottky结双极性阻变的不对称开关速度的研究

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当今社会,人们对高速度、高密度和非挥发性的新型高性能存储器的需求越发强烈。目前使用的闪存已经接近物理和技术极限,下一代新型存储器有铁电存储器、磁存储器、相变存储器和阻变存储器等。其中,铁电存储器已经有商业应用,但破坏性读出、存储密度难以大幅度提高使其难以大规模量产。作为非挥发存储器的重要候选者-阻变存储器,电阻存储所需面积较小而容易实现超高密度存储,并且具有低功耗、高速和非破坏性读出等优势。但是,一般金属氧化物阻变现象的两种主要微观机制中都牵涉到材料的缺陷运动和化学变化,这将引起可靠性如数据保持和疲劳的问题。近年来,研究人员发现铁电极化翻转也伴随有高低电导的变化,这种基于极化翻转的铁电阻变效应尤其受人青睐,因为极化翻转不会导致化学变化,并且小电压下的电阻读出具有非破坏性而无需恢复电路和降低了能耗,具有超高开关速度和高开关比,容易实现高密度存储,有望成为下一代非挥发存储材料。我们采用溅射技术和激光脉冲沉积技术在掺杂浓度0.7%wt的单晶Nb:SrTiO3衬底上成功制作出了Au/Nb:SrTiO3/In和Au/BaTiO3/Nb:SrTiO3/In器件,并通过X射线衍射仪,原子力显微镜等设备对BTO薄膜的晶体结构和表面形貌进行了初步表征,使用Keithley 2400型数字源表,阻抗分析仪Aglient 4294A,Aglient 33250函数信号发生器,示波器等仪器对器件的电学性质进行了表征,发现在两种器件中有很多有趣的现象,例如都具有大的开/关比、双极电阻开关和连续可调的电阻状态等,我们着重对其中的不对称电阻现象进行了研究和分析。一般来说,基于电子作用的电阻转换应该比基于离子作用[14]的要快得多。在特定的设备上,设置的速度(高阻态到低阻态转换)和复位速度(低电阻状态到高阻状态转换)的操作是类似的。然而,在我们的Au/Nb:SrTiO3异质结中发现了不对称电阻开关效应,设置和复位时间分别为10 ns(+5 V)和100μs(-5 V)。于是,提出了一种电子俘获/去俘获结合氧气空位迁移的模型来理解电阻开关速度的差异,由于电子捕获/去俘获的过程比氧空位的漂移要快得多,因此所以由正偏压产生的SET转换(HRS到LRS)比负偏压引起的RESET转换(HRS到LRS)要快得多。而在BaTiO3/Nb:SrTiO3肖特基结中同样观察到不对称的电阻开关效应。具体的说,是+8 V偏压下的从高阻态到低电阻状态的SET切换时间为10 ns,而-8 V偏压下从低电阻状态到高阻态的RESET开关时间为105 ns。由在BaTiO3/Nb:SrTiO3界面中的被电子和氧空位屏蔽的铁电束缚电荷分别在正、负偏压中起着重要的作用。电子的屏蔽进程比氧空位的快得多,因此由正偏压引起的SET转换(HRS到LRS)比由负偏压引起的RESET(LRS到HRS)转换快得多。此外,这种开关具有快速的SET转换和慢的RESET转换,在某些特殊的区域可能有潜在的应用。
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