WOx薄膜中深度相关的缺陷重分布及其在电输运和忆阻行为中的作用

《Journal of Alloys and Compounds》：Depth-Dependent Defect Redistribution in WO x Thin Films and Its Role in Electrical Transport and Memristive Behavior

　　

摘要

WO_x基忆阻器因其缺陷介导的阻变特性而受到下一代非易失性存储器和神经形态计算应用的广泛关注。然而，深度依赖性缺陷重新分布对WO_x薄膜的电传输和忆阻特性的影响仍未得到充分理解。在本研究中，采用反应溅射沉积WO_x薄膜，并将其置于不同的退火条件下。通过X射线光电子能谱（XPS）深度剖析、化学态分析、霍尔效应测量和电学表征，研究了缺陷分布与器件性能之间的关系。结果表明，退火并未使WO_x薄膜的缺陷结构均匀化，而是促进了氧相关缺陷的深度依赖性重新分布，并在整个薄膜厚度范围内增加了化学计量比的变化。在含氧气氛中退火主要增强了表面氧化，而缺氧区域仍存在于薄膜的深层区域，导致整个薄膜厚度范围内出现明显的化学计量比变化。这种缺陷重新分布改变了所测载流子浓度和迁移率，表明缺陷演化影响了电传输行为。相应地，忆阻行为也发生了显著变化，包括根据退火条件的不同，从明显的滞后响应转变为增强的整流特性。这些发现表明，深度依赖性缺陷重新分布在将退火诱导的化学演化与电传输和忆阻行为联系起来方面起着关键作用。结果还表明，控制整个薄膜厚度范围内的缺陷分布是WO_x基忆阻器件设计中的重要考虑因素。

引言

半导体行业正快速向5纳米节点及更先进工艺迈进，以实现器件微缩；然而，这一进程带来了若干必须解决的严峻挑战。传统的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术面临局限性，随着器件特征尺寸缩小，功耗升高、热效应加剧以及量子力学效应显现[1]。此外，硅基易失性存储器器件已达到其固有限制，受限于硅基材料的尺寸限制[2]。这些问题凸显了开发能够克服传统器件短板的替代存储技术的迫切需求。新兴计算范式，如神经形态计算和量子计算，为传统计算提供了有前景的替代方案。这些方法有望显著提升计算性能和效率。特别是，新型非易失性存储器器件正在开发中，旨在更小、更简单、更高效。忆阻器凭借其高存储密度、低功耗和非易失性特征，已成为解决这些挑战的潜在方案[3]、[4]。忆阻器结构简洁，能够适应数据模式，并有望实现更高效的计算系统，使其成为克服存储器技术微缩化局限性的有前景的路径[5]。

尽管忆阻器前景广阔，但忆阻器的产业化仍面临重大障碍，尤其是材料挑战和制造复杂性。必须克服的材料挑战包括开发具有更高性能和稳定性的新材料。此外，需要提高生产工艺的可扩展性，同时解决可靠性、耐久性和成本效益问题。将忆阻器集成到现有系统中仍然是一个挑战[6]，实现经济可行的生产规模也是一个关键问题。然而，持续的研究正在推动忆阻器技术向前发展，材料科学、制造技术和系统级集成方面的进步不断涌现。在忆阻器应用的研究材料中，TiO₂、HfO₂和WO₃等金属氧化物尤为突出[7]。这些材料具有非易失性，即在断电后仍保持电阻状态，这对高效数据存储至关重要。此外，这些氧化物可进行纳米级制造，适用于高密度存储器阵列，满足下一代计算器件的需求。氧化物基忆阻器还与现有半导体制造工艺兼容，便于集成到主流制造方法中。这些材料的可调特性使得电阻开关可精确控制，从而优化特定应用的性能。特别是，WO₃等过渡金属氧化物（TMOs）因其多种氧化态而受到关注，能够精确控制其阻变行为[8]、[9]、[10]。尽管氧化物薄膜技术面临结构缺陷和薄膜生长过程中性能波动等挑战，TMOs仍具有显著优势，包括可扩展性、低功耗和快速开关速度。TMOs已展现出在神经形态计算、存储和逻辑应用中的潜力，可模拟生物突触，支持先进人工智能系统。

本研究聚焦于WO₃作为忆阻器材料，因其多种氧化态、稳定性和与半导体技术的兼容性。虽然之前的研究已探讨过WO₃基忆阻器，但深度依赖性化学计量比变化和氧相关缺陷分布对电传输和阻变行为的影响仍未得到充分理解[11]。本研究的主要目标是探究退火诱导的化学计量比演化如何影响WO_x薄膜中的缺陷分布、电传输特性和忆阻行为[12]。通过系统研究退火时间和含氧气氛对WO_x薄膜的影响，重点关注深度依赖性化学计量比变化和氧相关缺陷重新分布，实现了这一目标。结果表明了退火诱导的缺陷重新分布如何影响WO_x薄膜的电传输和忆阻行为。通过将XPS深度剖析、表面化学态分析、霍尔效应测量和忆阻器件表征相结合，本研究建立了WO_x基忆阻器中缺陷分布、电传输行为与器件性能之间的直接关系。这些发现对下一代存储系统和神经形态计算的发展有所贡献。

章节摘要

材料与方法

采用射频（RF）磁控溅射系统（IDT Engineering Co., 韩国），以单片WO₃靶材（纯度99.99%，LTS Inc., 日本）[13]将WO_x薄膜沉积于20 × 20 mm²、厚度200 nm的ITO衬底上。预溅射过程进行了3分钟，以去除靶材表面的氧化层并确保薄膜质量。溅射工艺的初始真空度设为1.0 × 10^-5 Torr，沉积压力设为7.5 × 10^-3 Torr，Ar气体流量为……

结果与讨论

通过改变退火后条件（如表1所示）研究了WO_x薄膜的表面形貌，结果如图2所示。场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像显示，WO_x薄膜的表面微观结构由均匀致密的颗粒组成。值得注意的是，在不同退火条件下，WO_x薄膜的形貌未发生显著变化，所有薄膜均呈现花椰菜状结构。表面形貌总体保持相似。

结论

本研究考察了WO_x薄膜中氧相关缺陷的深度依赖性重新分布及其与电传输行为和忆阻特性的关系。系统评估了退火条件对薄膜深度方向化学计量比变化的影响，发现由此产生的缺陷重新分布会影响所测电传输行为。随着退火时间增加，化学计量比偏差及其……

CRediT作者贡献声明

Nam-Hoon Kim：撰写—审阅与编辑、监督、方法论、经费获取、概念化。Sara Kim：撰写—初稿、验证、方法论、调查、数据管理。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Nam-Hoon Kim报告获得了光州ANCHOR中心的财务支持。如有其他作者，他们声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本研究由光州ANCHOR中心通过ANCHOR项目支持，资金由大韩民国教育部和光州市提供。（2026-ANCHOR-05-013）

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

Sara Kim | Nam-Hoon Kim

朝鲜大学电气工程系，韩国光州 61452