《Journal of Alloys and Compounds》：Crystallinity-Dependent Volatile Threshold Switching Properties of ZnTe Thin Films on Epitaxial TiN Electrodes
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ZnTe薄膜的结晶性与阈值开关特性研究显示，通过TiN基底电极调控结晶度可优化电学性能，表明陷阱限制传导机制在非晶相主导时更显著，而多晶相中晶界导电起主要作用。
英光金（Yeong Gwang Khim）|万顺金（Wansun Kim）|尚华朴（Sang Hwa Park）|敏在金（Min Jay Kim）|钟赫秀（Jong Hyeok Seo）|赫镇金（Hyuk Jin Kim）|京俊李（Kyeong Jun Lee）|瑞亨张（Seo Hyoung Chang）|基焕权（Ji-Hwan Kwon）|尚莫杨（Sang Mo Yang）|贤哲孙（Hyunchul Sohn）|英俊张（Young Jun Chang）
韩国首尔大学物理系，首尔02504
摘要
本研究探讨了具有挥发性阈值切换（VTS）特性的ZnTe薄膜的结构和电学性质，重点关注多晶态与非晶态之间的转变。在相同的沉积条件下，将具有不同晶体取向的ZnTe薄膜（包括多晶态的（001）和（111）纹理）沉积在TiN基底电极上，以系统地控制其结晶度。导电原子力显微镜测量结果显示，随着ZnTe的非晶特性增强，其切换行为的微观均匀性有所提高。I–V测量表明，非晶态ZnTe样品表现出明确的陷阱限制导电行为，而多晶样品的斜率变化不那么明显，这可能表明存在其他导电路径，这些路径可能由晶界促进。本研究的结果有助于开发用于高效可靠选择器的优化材料，特别是对于神经形态计算应用。
引言
数据生成的指数级增长和人工智能（AI）技术的进步迅速增加了对创新半导体技术的需求[1]。基于AI的半导体应用需要低延迟、高能效和可扩展性，这些都给材料和器件创新带来了挑战。基于三维（3D）交叉阵列结构的神经形态计算设备因其高密度集成、高效并行处理和低功耗计算潜力而成为有前景的候选者[2]，[3]。然而，交叉阵列架构存在漏电流问题，即在读写操作期间电流会意外泄漏到相邻单元。一种广泛采用的解决方案是在每个存储单元中集成挥发性阈值切换（VTS）选择器设备，以有效抑制漏电流路径。
已经研究了几种类型的选择器设备，包括氧化锌阈值切换（OTS）设备、金属-绝缘体转变（MIT）设备、基于离子扩散的选择器、混合离子-电子导体和隧道势垒[4]，[5]。其中，基于硫属化物的阈值切换设备因其快速切换速度、高选择性和优异的耐久性以及低泄漏电流而受到更多关注。非晶硫属化物材料如GaS[6]、GeSe[7]、GeTe[8]、SiTe[9]和ZnTe[10]已通过多种方法进行了广泛研究，包括化学计量优化[11]、[12]、电极工程[13]和界面层修饰[14]。
值得注意的是，基于ZnTe的设备不仅在非晶态下表现出阈值切换行为，在某些报告中也在多晶相下表现出这种行为[15]，[16]，[17]，[18]。虽然OTS现象通常与非晶硫属化物相关，其中结构无序在操作过程中抑制了结晶，但最近的研究表明，多晶ZnTe材料也可以表现出VTS行为，显示出更高的耐久性和热稳定性。这一发现引发了关于其潜在机制的讨论。
另一方面，一些富Te的多晶系统表现出类似相变切换（PCS）的切换特性，涉及晶态和类液态相之间的转变。在这种情况下，高温退火后的切换持久性常被解释为PCS的间接证据[8]。而在化学计量或适度富Te的ZnTe中，阈值切换被归因于陷阱介导的导电，其中Zn空位或Te相关缺陷在带隙中引入了深能级[18]。这些陷阱可以在低场强下（关态，欧姆区域）抑制载流子导电，并在高场强下（开态，无陷阱区域）促进载流子发射，产生与空间电荷限制导电（SCLC）机制一致的挥发性切换行为[10]，[11]。
鉴于这些不同的解释，结晶态ZnTe中的阈值切换分类尚未明确。此外，从非晶态到多晶态的ZnTe结晶度对器件行为的影响尚未系统研究。解决这一空白对于制定未来高密度存储器和神经形态系统的选择器设备设计规则至关重要。
在本研究中，我们研究了结晶度可控的基于ZnTe的设备的VTS特性，范围从多晶态到主要为非晶态。使用不同晶体取向的TiN薄膜作为基底电极，在相同的沉积条件下系统地调节ZnTe薄膜结构。结合导电原子力显微镜（C-AFM）和电学测量来分析电学切换行为的微观均匀性，并阐明浅缺陷态、晶界导电和界面效应的相对作用。结果为基于ZnTe的阈值切换的结晶度依赖性及其对可靠和高效选择器设备的影响提供了新的见解。
实验部分
实验
使用溅射系统制备了TiN电极和ZnTe层。作为基底电极的多晶TiN层和外延TiN层分别在Si(001)、MgO(001)和Al2O3(0001)基底上通过直流（DC）溅射生长，溅射靶材为2英寸钛靶，使用高纯度Ar（5%）和N2（5%）气体。对于外延膜生长，基底温度保持在640 ℃，操作压力为3.5 × 10?3 Torr。TiN层的表面晶体状态为
结果与讨论
为了分析在相同沉积条件下沉积在Si(001)、MgO(001)和Al2O3(0001)基底上的TiN基底电极的晶体结构，进行了原位 RHEED和XRD测量。图1(a)–(c)显示了RHEED图案，提供了关于TiN表面结构的见解，这些结构因基底类型而异。Si(001)基底上的TiN RHEED图像显示出环状图案，表明其表面为多晶态，具有不同的平面内
结论
在本研究中，我们通过使用具有（001）和（111）取向的多晶TiN基底电极，在相同的沉积条件下，研究了ZnTe薄膜结晶度对阈值切换特性的影响。在多晶态和非晶态之间转变的ZnTe薄膜表现出不同的电学行为，这取决于它们的结晶度。随着ZnTe结构变得更加非晶，电学切换行为的微观变化减小了，
CRediT作者贡献声明
尚莫杨（Sang Mo Yang）：撰写 – 审稿与编辑，研究。基焕权（Ji-Hwan Kwon）：资源支持。瑞亨张（Seo Hyoung Chang）：资源支持。京俊李（Kyeong Jun Lee）：资源支持。尚华朴（Sang Hwa Park）：撰写 – 原稿撰写，方法学研究。万顺金（Wansun Kim）：撰写 – 原稿撰写，方法学研究。英光金（Yeong Gwang Khim）：撰写 – 原稿撰写，方法学研究，数据整理。英俊张（Young Jun Chang）：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念化。贤哲孙（Hyunchul Sohn）：撰写 – 审稿与编辑，研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
S. H. P.和S. M. Y.得到了韩国政府（MSIT）资助的NRF项目（编号RS-2023-NR076385）的支持。本工作还得到了首尔大学2024年青年研究员基金的支持。
