柔性衬底上GaOx/HfOx异质结构中的陷阱控制电容电荷调制非丝状开关技术

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Nonfilamentary Switching With Trap-Controlled Capacitive Charge Modulation in GaOx/HfOx Heterostructures on Flexible Substrate

　　

摘要：

本研究报道了在柔性基底上的GaOx/HfOx双层异质结构中基于扫描速率驱动的非丝状开关特性，该开关具有由陷阱控制的电容性电荷调制功能，从而展现出忆阻行为。这些器件呈现出平滑的、顺时针方向的、无收缩的蝴蝶型滞回特性，且在纳安级电流操作下仍保持良好性能，同时具备明显的器件面积可扩展性，这表明其存在空间分布式的传输机制。有限的零偏压电流、明显的扫描速率依赖性以及频率依赖的电容-电压特性，都表明GaOx/HfOx界面处存在强烈的界面电荷积累现象。通过温度依赖性测量以及两种电阻状态下的Poole–Frenkel分析，可以确定氧空位相关陷阱态的热激活场辅助发射是主要的传导机制。陷阱介导的传输与界面电荷积累之间的耦合，使得导电性能够实现渐进且可逆的调节，同时不会形成丝状结构，从而有效抑制局部焦耳热效应，提升器件在不同循环中的性能一致性。此外，该器件在脉冲训练下仍能保持稳定的模拟可编程性，且经过数千次循环后依然性能稳定，这进一步证明了这种分布式开关机制的可靠性。本研究为柔性GaOx/HfOx异质结构中的陷阱控制、界面电荷驱动开关机制奠定了基础，这类机制可实现非丝状操作，并通过电容辅助方式调节导电性，因此在低功耗、柔性模拟内存及神经形态计算应用领域具有巨大潜力。