超薄BaTiO3铁电薄膜隧穿机理研究

【前言】超薄BaTiO3铁电薄膜隧穿机理研究由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。超薄BaTiO3薄膜中主要结构是Pt/BaTiO3/Pt/Ti/SiO2。其中，Pt的功函数为5.65eV ， BaTiO3的禁带宽度保持在2.9eV。可以将超薄BaTiO3薄膜上下电极界面可以当做是肖特基二板管，也就是说上下电极可以看做是电容器的两极，BaTiO3作为介质层，由于BaTiO3的电导率小很小，可...

摘要：使用磁控溅射法来对超薄batio3的铁电薄膜进行制备，对电子隧穿的过程进行分析，将电流和电压所绘制出的曲线进行拟合，对单极性开关和双极性开关的工作原理进行分析和讨论。通过数据结果可以得知：在Pt/BaTiO3/Pt 隧道结中含有三种不同类型的物理机制，分别为Schottky 发射、SCLC 机制、P-F 发射。

关键词：超薄BaTiO3铁；电薄膜；隧穿机理

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）18-0245-03

BaTiO3是一种具有代表性的铁电材料，具有较强的铁电性、热释电性、压电性和非线性光学特性等特性。目前，已经在光电器件、微波器件、铁电存储器等多方面广泛使用，已经成为当今世界上最为活跃的一种新型材料，引起社会相关人士的广泛关注。对Pt上下电击中超薄BaTiO3薄膜所具有的性质进行研究，并且根据国际上相关的理论来对电阻开关效应工作的机制进行分析和研究。

1 Pt/BaTiO3/Pt隧道结的隧穿机理

超薄BaTiO3薄膜中主要结构是Pt/BaTiO3/Pt/Ti/SiO2。其中，Pt的功函数为5.65eV ， BaTiO3的禁带宽度保持在2.9eV。可以将超薄BaTiO3薄膜上下电极界面可以当做是肖特基二板管，也就是说上下电极可以看做是电容器的两极，BaTiO3作为介质层，由于BaTiO3的电导率小很小，可以将两极间漏电电阻可看作是电容器和直流电阻进行并联。当加入一个较大电压在电极处时，氧空位会大量向底电极进行迅速移动。对细扮理论进行分析，当氧空位密度达到一定的数值后，相邻氧空位之间的间距变小，随着外加电压的不断增加，势垒会逐渐得变窄，电子越过势垒的概率迅速提高。底电极和超薄BaTiO3所形成的导电细扮肖特基_极管瞬间消失，并且可以将其视为欧姆接触等效电路图。（如图1所示）

在上电极位置加入三角板来对压力进行测试，并且得出超薄BaTiO3电流和电压之间的曲线图。电压的扫描顺序：OV10V0V10V0V。（如图2所示），图2是底电极Pt的超薄BaTiO3隧道结初始状态下电压和电流之间的曲线图，电压和电流之间的关系为单极性电阻开关，并且1、2、3表示高阻态（HRS），4表示低阻态（LRS）。

在等效电路的顶端施加正向力来对电压进行扫描，可以看出电场力的方向向右，超薄BaTiO3薄膜会受到空气中的氧气产生作用力，并且向右进行移动，电极中电子受到的作用力与其相反，从而向左进行移动，等效电路的上端的肖特基二极管处于一种截庄的状态，电阻为高电阻状态；当等效电路的顶端施加负向力来对电压进行扫描时，可以看出电场力的方向向左，超薄BaTiO3薄膜会受到空气中的氧气产生作用力，并且向左进行移动，电极中电子受到的作用力与其相反，从而向右进行移动。当电压的数值过大或者过小，单元都处于一种高电阻的状态，从而出现过程3xianx.dang负向电压与阂值电压相同时，氧空位会逐渐的向薄膜界面进行集中，并且使得肖特基势垒迅速变窄，电子可以随意从界面的两边进行跳跃和转移，并且此时的单元处于低电阻的状态。

在进行循环测试时，当第二次施加正向电流来对电压进行扫描时，可以得出底电极为Pt的超薄BaTiO3隧道结的稳态电流和电压的曲线。电流和电压之间的关系为双极性电阻开关。电阻在正向电压Vset将HRS转换成LRS，电阻在负向电压VReset处将LRS转换为HRS。

在进行循环测试时，对其进行正方向的施加压力然后对电压进行测定时，可以得出结论：氧空位逐渐的向右进行移动，肖特基势垒逐渐的变宽，并且电子难以从右侧向左侧进行跳跃。当电压过大或者过小时，少部分的电子可以穿过肖特基势垒，当正向阂值电压为8.4V时，所有的电子则无法穿越肖特基势垒，并且由LRS转变为HRS。当施加负方向的压力对电压进行检测时，薄膜界面处的粒子受力情况，当电压的负向数字到达一定的数值之后，肖特基势垒逐渐的变窄，电子则非常容易穿过肖特基势垒，电流和电压的曲线又渐渐的开始从高电阻的状态向低电阻的状态进行转变。

对肖特基势垒的发射公式、电荷限制电流等物理公式进行综合性的分析，对单极性和双极性的电流和电压形成的曲线图进行拟合，对不同Pt/BaTiO3/Pt厚度的隧道结电子穿越的过程进行分析和研究。在进行循环测试电压时，当V>0V时，电阻不会发生发转；当V

当V>0V时，低电阻状态下，当电压在0V-3.24V范围内，符合SCLC机制，曲线的斜率为2.34；当电压在5.5V-8V范围内时，可以看出，符合肖特基发射机制，曲线的斜率为2.17。当电流在0V-3.3 V范围内，符合肖特基发射机制，曲线的斜率为4.41；当电压在5.4V-10V范围内，符合P-F发射机制，曲线的斜率为1.56。

当电压V

是一种好的导体，其中Nb含量为0.7%、电导率为7.0mcm。上下电极是电容器的两极可以将其看作是肖特基二极管，BaTiO3的禁带宽度为2.9eV。BaTiO3不具有导电性，可以将其看做是介质层，那么上下两极的漏电电阻可以理解为是在电容器上并联了一个直流电阻模块。当在上部电极位置施加-20V电压时，氧空位为逐渐的向上电极处进行移动。基于细丝理论进行分析，当氧空位的密度达到一定数值后，相邻之间的距离很小，并且在外加电压的影响下，肖特基势垒会逐渐的变窄，电子穿过肖特基势垒的概率明显增加，从而上部电极和薄膜形成一种可以导电的细丝，此时，可以将其理解为欧姆接触。如图3所示。