研究论文

7 氧化物可编程二极管的输运机制

金属氧化物电阻开关器件因具有结构简单、可扩展性好、与CMOS工艺兼容等特点，在新型非易失存储、存算一体和类脑计算等方向受到广泛关注。传统研究较多集中于金属—绝缘体—金属（MIM）结构忆阻器，其基本物理图像通常与氧空位导电细丝的形成和断裂有关。论文引言指出，这类器件已被广泛用于存储级存储器和脑启发计算相关研究。

与MIM结构相比，金属—氧化物—半导体（MOS）结构器件在低阻态下常表现出明显的二极管整流特性，因此被称为可编程二极管（Programmable Diode, PD）。这类器件一方面保留了氧化物电阻开关器件可编程、可集成的优势，另一方面又能提供整流能力，有望用于抑制存储阵列中的串扰电流问题，因此在高密度存储和逻辑应用中具有重要潜力。

不过，尽管氧空位导电细丝主导的开关机制已较为清楚，氧化物可编程二极管“为什么会整流”以及“电子究竟如何在不同偏压下传输”，长期以来仍缺乏清晰、系统的解释。这一问题直接关系到器件性能优化、模型建立以及后续电路设计。如果不能准确理解正向导通和反向截止分别受什么机制控制，就难以针对性地优化材料、掺杂和界面工程。论文正是围绕这一关键问题展开，旨在从实验与理论两个层面揭示氧化物可编程二极管的本征输运机制。

近日，西安电子科技大学陈冰教授课题组在氧化物可编程二极管输运机理研究方面取得进展，制备了TiN/HfO₂/Si/Al结构的氧化物可编程二极管，并系统研究了该器件的电子输运机制。该结构与CMOS工艺兼容，具备良好的器件实现基础。研究团队结合电学测试、面积依赖分析、第一性原理计算以及导电模型拟合，较为完整地解释了器件整流行为的物理来源。

论文首先对不同硅衬底掺杂浓度下的器件进行了编程前后I–V测试。结果表明：器件在编程前处于高阻态，漏电流极低；施加较高负偏压编程后，器件进入低阻态，并出现明显的二极管式整流特征。进一步比较不同掺杂浓度发现，衬底掺杂对器件整流性能有显著影响，其中掺杂浓度在10¹⁶ cm^-3的器件表现出最佳整流特性，不对称电流窗口超过10³。

为了判断导电是否由局域细丝主导，作者进一步研究了器件电流与面积的关系。结果显示，无论正向还是反向电流，均几乎不随器件面积变化。这说明器件导电并非均匀分布于整个接触面积，而主要由氧空位构成的局域导电细丝决定，真正关键的是导电细丝与半导体电极之间的界面接触状态。这一结论为后续解释整流行为提供了重要依据。

在理论分析方面，研究团队构建了含有和不含氧空位细丝的Si/HfO₂原子级模型，并开展第一性原理计算。计算结果表明，氧空位细丝形成后，HfO₂中会引入高密度陷阱能级，这些能级显著增强电子传输能力；同时，细丝相关局域态与Si能带之间的相对位置决定了不同偏压下电子注入和输运方式。局域态密度（LDOS）计算显示，氧空位细丝在HfO₂中产生了有利于电子输运的致密陷阱态，为器件由绝缘态转入导通态提供了微观依据。

在此基础上，作者提出了氧化物可编程二极管的核心输运图像：

• 正向偏压下，电子从Si侧注入HfO₂中的氧空位细丝，并主要通过Poole–Frenkel（P–F）发射机制在细丝内传输；

• 反向偏压下，器件行为则取决于Si侧掺杂浓度：对于重掺杂衬底，界面势垒较窄，电子更容易通过场发射穿越界面，反向电流仍可较大；而对于轻掺杂衬底，界面呈现更明显的肖特基势垒特征，反向电流受热发射限制，从而实现截止。

这意味着，器件整流性能本质上由“氧空位细丝—半导体界面”的能带弯曲和势垒性质所控制，而不是简单由氧化物层本体电导决定。换言之，氧化物可编程二极管的“可编程性”来源于细丝形成，“二极管特性”则主要来源于细丝与半导体之间的非对称界面输运。

为了验证所提出机制的可靠性，作者进一步采用不同导电模型对实验曲线进行拟合。结果表明，正向偏压下实验数据与P–F模型吻合良好；反向偏压下，轻掺杂样品更符合肖特基热发射模型，而重掺杂样品仍与P–F主导的行为一致，拟合优度均较高。实验与理论之间的相互印证，增强了该输运模型的可信度。相关结果见论文第5页图6和图7。

本工作具有以下几个方面的创新意义：

1. 系统揭示了氧化物可编程二极管的整流物理来源。论文不再停留于“器件表现出二极管特性”的经验描述，而是明确指出整流行为受氧空位细丝与半导体界面势垒调控。

2. 建立了正反向偏压下不同输运机制的统一图像。作者提出：正向偏压主要受Poole–Frenkel发射控制，反向偏压则表现为与掺杂浓度相关的反向肖特基型输运。这一框架有助于理解同类MOS氧化物器件的普遍行为。

3. 通过“实验 + 第一性原理计算 + 模型拟合”的联合方法增强了机理解释的可信度。从面积无关导电、局域态密度、能带弯曲到I–V拟合，形成了从器件表征到微观机制的闭环论证。

4. 指出了衬底掺杂工程是优化可编程二极管整流性能的关键手段。研究发现，适中的硅衬底掺杂浓度能够在导通能力和反向抑制之间实现更优平衡，其中10¹⁶ cm^-3条件下器件获得了最佳整流性能。

氧化物可编程二极管兼具非易失可编程性与整流特性，在高密度存储阵列中具有重要应用潜力。对于交叉阵列结构而言，串扰电流一直是制约器件集成规模和读取精度的关键问题。可编程二极管有望在单元层面提供内生选择特性，从而降低外围选择器件需求，简化阵列架构。论文结论中也指出，其最佳器件表现出的高整流比使其在高密度存储与逻辑应用中具有潜在价值。

从更广的角度看，该工作的重要意义不仅在于给出一种器件结果，更在于明确了一个可设计、可调控的优化方向：通过调节半导体掺杂浓度、界面势垒形态以及氧空位细丝状态，可以协同优化器件的导通电流、反向截止能力和整流比。这对于后续构建更高性能的存储单元、阵列级选择器件，以及面向存算一体系统的器件模型，均具有基础价值。

此外，该研究采用的“电学测试—微观计算—模型验证”研究范式，也为理解其他氧化物电子器件中的复杂界面输运问题提供了参考。未来若能进一步结合更高空间分辨率的结构表征手段，对纳米尺度氧空位细丝进行直接观测，并与瞬态响应、温度依赖和可靠性测试结合，有望进一步推动氧化物可编程二极管从机理研究走向器件工程化。

该文章以题为“Transport mechanism of oxide-based programmable diode”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Transport mechanism of oxide-based programmable diode

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