第一章 緒論
1.3 電阻切換介紹與文獻回顧
電阻式記憶體主要是在上下兩層導電材料當中，夾帶一層絕緣體或介 電質材料而形成的三明治結構[16]，使元件在「高阻態」(High resistance state, HRS)與「低阻態」(Low resistance state, LRS)之間進行切換，以做為數位 訊號中的「0」與「1」，進而使元件具有記憶功能。圖 1.4，藉由在元件上 下兩側施予偏壓時，形成絲狀通路連接上下極而形成低阻態[17]，再透過施 加反向電壓使得中間層形成軟性崩潰而切換回高阻態，這個循環過程稱為 雙極(Bipolar)電阻切換現象；或透過同向電壓的繼續施加，到了某臨界電 壓後，電阻值急遽上升，這樣的循環過程稱為單極(Unipolar)電阻切換現象，
如圖 1.5[18]。
圖 1.4 燈絲的形成與斷裂[18]
圖 1.5 Unipolar (左圖)及 Bipolar(右圖)之 I-V 示意圖[1]
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在過去的文獻中，形成絲狀通的成因有三種：
1. 熱化學效應(Thermalchemical Effect)[17]：中間層由於軟性崩潰，形成微 弱的傳導路徑，而使元件得以進行切換，這一效應多發生在單極性切 換。
2. 金屬離子的電化學效應 (Electrochemical Metallization Effect)[1,19,20]：藉 由上層活性金屬及下層惰性金屬作為電極，透過還原氧化的過程，生成 或斷裂由活性金屬所形成的絲狀通路，如圖 1.6，而這一效應多發生在 雙極性切換。
圖 1.6 金屬陽離子遷移之氧化還原反應示意圖[1]
3. 價電子轉換效應(Valance Change Effect)[17]：過去有研究認為，導通路徑 來自中間層本身的氧空缺，如 TiO2[21]
。而 N. Xu 等人所建立如圖 1.7 的 模型，解釋在低阻態時，原本排列整齊的氧離子(Oo)，透過氧化反應後 形成氧空缺(Vo〞)，使電子得以 hopping 的形式傳輸[22]，此價電子轉換 效應多發生在雙極性切換。
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圖 1.7 以氧空缺為傳導路徑的 TiN/ZnO/Pt 結構示意圖[22]
CuO 與 Cu2O 於電阻切換材料的應用上都有相當出色的成果，在過去 的許多研究中，我們能看見對於製程參數的不同，如下表所示，所成長出 來的 CuxO 在極性與切換機制上的表現並沒有一定的規律[23]。
表 1.1 CuOx上下電極與製程參數整理[23]
探討燈絲(filaments)形成的原因是電阻切換材料研究中重要的一環。
在 Rabi Ebrahim [24]等學者的研究中，認為絲狀通路的形成是來自於 CuxO
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當中的 Cu 所形成；有部分的學者認為[5,6]，絲狀通路的形成是來自於樣品 中的氧空缺所形成；而 C. H. Kim 等學者[25]則是認為，焦耳熱會使樣品中 的缺陷形成絲狀通路。然而，對於形成絲狀通路的模型目前仍不明確。在 過去關於 Cu2O 的研究中，發現樣品中還有少部分的 CuO 結構存在，而 CuxO(1< x < 2)作為電阻式切換材料時，CuO 與 Cu2O 的相對比例對材料的 電性表現及切換特性上有所影響[26]。
在 R.Dong[27]與 B. Singh[28]等人的研究中，如圖 1.8 與 1.9，CuxO 在電 性量測的結果上，無論高低阻值的判讀，都有 2 個 order 以上的差異，在 切換次數上也分別高達 200 及 1000 次，可見 CuxO 在電阻切換上有相當好 的表現。而在本論文中以 Silicon 基板所成長的 CuxO 樣品，透過圖 1.10，
CuO 與 Cu2O 在高阻態時大約都有 1 KΩ的阻值，且高低阻值都有 1 個 order 的差異，切換次數平均在 7～20 次，確實有電阻切換的現象。在圖 1.11，
能明顯看到 CuO 樣品無論溫度皆呈雙極切換特性；Cu2O 在 250℃時呈雙 極切換特性，在 500℃時呈現單極切換特性。
圖 1.8 CuxO 切換次數與電阻率變化[28]
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圖 1.9 CuxO 切換次數與電阻率變化[27]
圖 1.10 CuxOReset & Set voltage 比較圖[29]
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圖 1.11 CuxOI-V sweep[29]
圖 1.12 為本論文中以 Sapphire 基板所成長的 CuxO 樣品的光穿透率量 測，若沿光學吸收邊界向橫坐標(波長)取截距，顯示 Cu2O 擁有較小的 band gap，其結果與圖 1.13 文獻當中的結果相反。
圖 1.12 CuxO 光穿透率的量測[29]
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圖 1.13 CuxO 光吸收率的量測[30]