光与电协同调控 HfOx基存储器电阻开关特性：开启高密度存储新征程

随着电子信息技术发展，传统存储器难以满足需求，RRAM 备受关注。研究人员制备 Cu/HfOx/Pt 和 Cu/Al2Ox/HfOx/Pt 器件，研究其电阻开关性能和光学特性。发现 Al2Ox/HfOx性能更优，且光控效果显著，为高密度存储发展提供新思路。

　　在科技飞速发展的今天，电子设备不断向着小型化、大容量的方向迈进，传统的存储器就像一位不堪重负的老工匠，渐渐跟不上时代的步伐。它无法满足日益增长的对存储密度和微型化的高要求，于是，新型非易失性存储器便在这样的背景下应运而生。其中，电阻式随机存取存储器（RRAM）凭借结构简单、存储密度高、功耗低以及与 CMOS 工艺兼容性好等优势，成为了存储器领域的 “潜力股”，吸引了众多科研人员的目光。

然而，RRAM 在发展过程中也遇到了不少难题。就好比建造高楼时，难以精准控制建筑材料中的瑕疵一样，RRAM 薄膜中的缺陷，尤其是氧空位，在制备过程中极难控制。这些缺陷会降低器件的均匀性，影响其稳定性，就像高楼里的隐患，随时可能影响整栋建筑的安全。为了解决这些问题，科研人员尝试了各种方法，比如通过退火处理来调整薄膜中氧空位的含量，或者在薄膜中掺杂不同离子来优化电阻开关（RS）性能，还设计了双层器件以降低工作电压、提高稳定性。

在这样的背景下，中国的研究人员挺身而出，决心攻克 RRAM 的难题。他们以 HfO₂和 Al₂O₃这两种材料为 “主角”，展开了一场关于 RRAM 的深入研究。HfO₂有着高介电常数（约 25）和大带隙（约 5.5 eV），是下一代非易失性存储器理想的电阻层材料；Al₂O₃则是一种宽带隙（约 5.9 eV）的二元金属氧化物，在 RS 特性研究中应用广泛。研究人员制备了 Cu/HfO_x/Pt 和 Cu/Al₂O_x/HfO_x/Pt 器件，对其电阻开关性能和光学特性进行研究。

研究发现，HfO_x和 Al₂O_x/HfO_x样品都展现出双极 RS 特性和良好的保持性。但 Al₂O_x/HfO_x样品更胜一筹，它的工作电压更低，均匀性更好。这是因为 Al₂O_x薄膜及其与 HfO_x的界面附近存在更多氧空位，促进了导电路径的形成。而且，Al₂O_x/HfO_x界面附近导电丝的断裂会在薄膜中保留部分残留路径，抑制了氧空位导电丝的随机形成，从而提高了器件的稳定性。

当用 255nm 的光照射时，HfO_x样品变化不明显，而 Al₂O_x/HfO_x样品的工作电压更小。并且，Al₂O_x/HfO_x样品在不同光强下呈现出多种电阻状态，具备了多级存储的能力。研究还表明，无论是否有光照，Al₂O_x/HfO_x样品的导电机理都与空间电荷限制电流（SCLC）效应一致，这主要归因于氧空位导电丝的形成和断裂。

这项研究成果意义重大，它揭示了光和电协同作用对 RRAM 性能的影响，为开发高存储密度的存储器提供了全新的思路，就像在黑暗中为 RRAM 的发展点亮了一盏明灯。该研究成果发表在《Applied Surface Science》上。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是磁控溅射技术，他们用 JGP - 450 磁控溅射仪在 Si/SiO₂/Ti/Pt 衬底上分别溅射 20nm HfO_x薄膜和 15nm HfO_x/5nm Al₂O_x双层薄膜，还通过直流磁控溅射制备 Cu 顶电极；其次是 X 射线光电子能谱（XPS）技术，用于分析 HfO_x薄膜和 Al₂O_x薄膜的成分和化学状态。

研究结果部分：

• 样品制备与结构：通过磁控溅射技术在特定衬底上成功制备了 HfO_x薄膜和 Al₂O_x/HfO_x双层薄膜，并构建了相应的 MIM 结构器件。
• XPS 光谱分析：利用 XPS 光谱对 HfO_x薄膜和 Al₂O_x薄膜进行分析，确定了薄膜中元素的化学状态和氧空位的存在形式。
• 电阻开关性能：研究发现 HfO_x和 Al₂O_x/HfO_x样品均具有双极 RS 特性，但 Al₂O_x/HfO_x样品在工作电压和均匀性方面表现更优。
• 光电调控效果：光照实验表明，255nm 光照射下，Al₂O_x/HfO_x样品工作电压减小且呈现多级电阻状态，展现出良好的光电调控性能。
• 导电机理：通过研究，确定了 Al₂O_x/HfO_x样品无论有无光照，导电机理都与 SCLC 效应相关，是由氧空位导电丝的形成和断裂导致的。

研究结论和讨论部分，研究人员成功揭示了 Al₂O_x/HfO_x双层结构器件在电阻开关性能和光电调控方面的优势及其内在机制。这不仅为理解 RRAM 的工作原理提供了重要依据，更为 RRAM 的进一步优化和高存储密度存储器的开发指明了方向，有望推动整个存储器领域朝着更高性能、更小型化的方向发展，在未来的电子信息技术中发挥关键作用。