基于超薄CdS隧道结忆阻器的新型光学功能

《Advanced Electronic Materials》：Novel Optical Functionalities in Memristors

　　

研究人员展示了一种电子忆阻器，通过将超薄3 nm硫化镉（CdS）薄膜作为隧道结势垒与La_0.7Sr_0.3MnO₃（LSMO）底电极集成，实现了扩展的光学功能。透明的In₂O₃:SnO₂（90:10）（ITO）上电极提供了对结区的直接光学访问。在黑暗中，该器件表现出非易失性的电学电阻开关，并具有稳健的中间态。当在50至150 K之间用紫外光（3.3 eV）照射时，电阻开关保持不变；然而，光伏响应随之出现，并通过开路电压V_oc与每个中间态的电阻呈线性相关。该行为使得对每个态的电-光传感成为可能。相比之下，在10 K时，光生载流子进入高注入状态，并改变了器件在黑暗中的电学行为，当照明功率达到26 mW cm^?2时，导致高阻态的易失性抑制。去除照明后，忆阻器态的平衡暗电阻得以恢复，其特征恢复时间较长（约100 s）。这种慢响应可被利用于30 GΩ的非常高阻态中，通过0.13 mW cm^?2的低强度紫外脉冲诱导电压累积。将这些创新的光电功能（光伏传感和混合电-光电压累积）集成到忆阻器件中，为开发先进的仿生计算架构开辟了令人兴奋的可能性。

### 忆阻器光学功能集成研究：基于超薄CdS隧道结的混合电-光器件解读

**研究背景与问题**

忆阻器被视为实现高能效神经形态计算的关键技术之一，其多级非易失电阻状态可模拟神经元突触。在众多忆阻器实现方案中，隧道结（Tunnel Junction, TJ）凭借非破坏性读取、低工作能耗、功能多样性和优异可扩展性而备受关注。隧道结由超薄绝缘势垒构成，两个电极之间产生直接量子隧穿，结区势垒形貌的细微变化即可诱导电阻开关（Resistive Switching, RS）效应。为拓展忆阻器的功能边界，光学功能的集成被视作重要途径——光学系统具有高速、低延迟、高带宽和优异热管理能力，且近期研究表明，利用紫外光照射可实现基于势垒光伏效应的忆阻态感知，有望大幅降低网络评估的能耗。然而，此前基于隧道结的光电忆阻器研究多采用为纯电子性能优化的材料，如铁电氧化物BaTiO₃，其紫外吸收系数仅约10³ cm^?1。相比之下，直接带隙半导体CdS在可见光区拥有2.4 eV的宽直接带隙，吸收系数高达10⁵ cm^?1，比BaTiO₃高两个数量级，且易于制备成超薄薄膜。此外，超薄CdS薄膜的带隙可展宽至2.8~3.2 eV，匹配紫外光激发。因此，将CdS作为光学活性隧道势垒整合到忆阻器中，有望显著增强光响应，并可能涌现出新的光-电耦合特性。

**研究内容与结论概述**

研究人员制备并系统研究了以3 nm超薄CdS为势垒层、La_0.7Sr_0.3MnO₃（LSMO）为底电极、ITO透明顶电极的垂直隧道结忆阻器。实验发现，在暗态下该器件表现出典型的非易失性双极电阻开关，具备稳定的多级中间态。在50~150 K温度范围内，紫外光照射（3.3 eV）不改变电阻开关行为，但产生显著光伏响应，且开路电压V_oc与各中间态电阻值呈线性关系，从而实现非破坏性的电-光状态读取。当温度降至10 K时，光生载流子浓度超过平衡载流子浓度，器件进入高注入状态，导致高阻态在光照下发生易失性抑制——电阻值下降最多达五个数量级，光照移除后需50~100 s缓慢恢复。利用这种慢恢复特性，研究人员在30 GΩ高阻态上通过低功率紫外光脉冲序列实现了电压累积效应，展示了混合电-光神经形态计算的新可能性。该工作首次将高性能光学材料CdS引入隧道结忆阻器，实现了光伏传感与电压累积的融合，为超低功耗多功能神经形态硬件提供了新方向。

**关键技术方法**

研究人员采用高气压射频溅射在SrTiO₃（STO）（100）衬底上900°C外延生长22 nm LSMO底电极，随后在150°C纯氩气氛下射频磁控溅射沉积3 nm CdS势垒层。ITO顶电极（120 nm）通过室温直流溅射经铝掩膜沉积，以实现电学接触和光学窗口。器件结区面积为5×10至9×18 μm2，由光刻定义。结构和厚度通过X射线衍射、X射线反射率及扫描透射电子显微镜-能谱（STEM-EDX）确认。光电特性在闭循环低温恒温器中完成，使用双通道源表同步输出电学和紫外LED照明信号，测量温度范围为10~150 K。

**研究结果**

*器件结构与电学特性*：STEM-EDX显示LSMO（22±1 nm）、CdS（3.5±1 nm）和ITO（120±10 nm）层间界面清晰，各层厚度与X射线结果一致。在50 K下，I–V_write回线呈现双极电阻开关：正偏压5 V使器件进入高阻态（R_High），具有整流肖特基输运特征；负偏压?7 V切换至低阻态（R_Low），呈对称隧穿曲线，可由BDR模型拟合，势垒高度为0.19 eV，厚度3.7 nm。R–V_write回线显示逆时针循环，从1.5 V到5 V的正电压可连续调节中间电阻态，负分支同样存在稳定中间态，证实可逆忆阻行为。温度降低时R_High增大，R_Low略减，10 K时R_High/R_Low超过10³。阻变机制归因于正偏压下氧离子自LSMO迁移进入CdS，在LSMO/CdS界面形成肖特基势垒；负偏压使氧离子返回LSMO，势垒降低。

*光伏响应与状态线性读取*：在50 K下，对R_High态施加0~26 mW cm^?2的递增UV功率，低偏置I–V曲线出现明显开路电压V_oc和短路电流I_sc，且V_oc随光照功率增强而增大，I_sc则与忆阻态电阻无关（恒定约26 nA），说明光生载流子收集取决于不变势垒属性。对每个中间态测量V_oc，发现电阻与|V_oc|呈线性关系（幂指数0.93~1.05），在4.2 mW cm^?2低功率下仍可分辨不同状态，证明V_oc可作为忆阻态的光学读取信号。同时，光照前后R_High的I–V_write曲线完全重合，肖特基势垒高度（0.93 eV）在直至26 mW cm^?2的功率范围内稳定不变，表明50 K下电阻状态不受光照干扰。

*低温高注入效应与电压累积*：当温度降至10 K，紫外光照对器件的电学行为产生显著影响。R–V_write测量显示，即使0.13 mW cm^?2的最低功率也会导致R_High产生易失性抑制，随功率增至26 mW cm^?2，R_High最多下降五个数量级；光照停止后电阻需50~100 s缓慢恢复，而R_Low几乎不受光照影响。高偏置I–V特性显示，随光照功率增大，正向导通起点向更低电压移动，肖特基势垒高度明显降低，低偏置I–V曲线斜率增大，与R_High电阻下降一致。该现象源于低温下平衡载流子浓度骤减、光生载流子占主导，器件进入高注入状态；高密度光生电子和空穴屏蔽内建电场，导致能带弯曲被显著压平，从而降低有效势垒高度。利用该慢恢复特性，研究人员对30 GΩ高阻态施加10个1 s宽度、间隔5 s的0.13 mW cm^?2紫外脉冲，观察到光伏响应逐步累积，远超单脉冲响应，展示出类似神经元的时间整合行为。

**讨论与结论**

关于光照移除后电阻缓慢恢复的物理机制，研究人员推测可能与CdS的光催化活性有关——光照可能促进界面可逆电化学反应，但极低温下反应动力学受限，具体机理仍需进一步探索。该结果首次证明了在单一隧道结忆阻器中同时实现非易失电阻开关和易失光电效应，并通过V_oc线性读取中间态，室温以下宽温区均具备可行性。研究人员强调，将光伏传感与混合电-光电压累积集成到电子忆阻器中，为开发超低功耗多功能神经形态硬件开辟了新途径。实验还验证了器件100次循环的稳定性与13~28 h的保持特性，进一步巩固了其应用潜力。