电极材料及偏压极性对氧化物介质击穿行为的影响及机制

• 作者: 王彦彬 刘倩 王勇 代波 魏贤华
• 来源期刊: 物理学报
• 关键词: 氧化物薄膜 电极材料 偏压极性 击穿机理 忆阻器 电容器
• 年，卷（期）: 2021,（8）
• 所属期刊栏目: 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质|CONDENSED MATTER: ELECTRONIC STRUCTURE, ELECTRICAL,MAGNETIC, AND OPTICAL PROPERTIES
• 页码范围: 371-377
• 页数: 7页
• 语种: 中文
• DOI: 10.7498/aps.70.20201262

摘要

忆阻器和能量存储电容器具有相同的三明治结构,然而两个器件需要的操作电压有明显差异,因此在同一个器件中,研究操作电压的影响因素并对操作电压进行调控,实现器件在不同领域的应用是十分必要的一个工作.本文利用反应磁控溅射技术在ITO导电玻璃、Pt/Si基底上生长了多晶ZrO2和非晶TaOx薄膜,选用不同金属材料Au,Ag和Al用作上电极构建了多种金属/氧化物介质/金属三明治结构的电容器,研究了器件在不同偏压极性下的击穿强度.结果发现:底电极是ITO的ZrO2基电容器在负偏压下的击穿电场比Pt电极器件稍大.不管底电极是ITO还是Pt,Ag作为上电极时器件的击穿强度均存在明显的偏压极性依赖性,正偏压下的击穿电场减小了一个数量级;相反,在Al作为上电极的Al/TaOx/Pt器件中,正向偏压比负向偏压下的击穿电场增加了近2倍.上述器件的不同击穿行为分别可以由氧化物电极和介质界面层间氧的迁移和重排、电化学活性金属电极的溶解迁移和还原以及化学活性金属电极与氧化物界面的氧化还原反应来解释.该实验结果对有不同操作电压要求的器件,如忆阻器和介质储能电容器等在器件设计和操作方面具有指导意义.