2-2-3 漏電流機制 - 鐵摻雜β相三氧化二鉍薄膜的磁致電阻切換特性研究

在 MIM 結構中，當元件溫度提高或是外加電場較大的情況下，元件會產生漏電流，而這正是電阻式記憶體高(低)電阻狀態的機制判定來源，其電流流通行為可以發現金屬與絕緣層的接面，或者是絕緣層薄膜內部的傳導特性，可以用以下幾種機制去探討分析元件的傳導機制。詳述如下：

(a) Schottky emission^[27]

對於金屬-絕緣層熱平衡時，其介面處會有一位能障，若施加一個外加電場，此電場將會使得位能障傾斜(Fig.25)，而若動能足夠大的話，金屬中的自由電子因為熱發射，使得電子能跨越金屬和絕緣層之間介面上因外加電場而傾斜的位能障，從而讓自由電子躍至真空或是絕緣層的傳導帶，以此來產生電流，

則傳導機制稱為蕭基效應(Schottky effect)。其中自由電子所躍過的能障高低受電極本身的功函數，和絕緣層的電子親和力所限制，而熱發射的電子源自於電極，因此熱激發的電子數又受電極之功函數影響。此漏電流通常在元件具有一定的溫度條件下會較為容易區分是否為主要漏電流成因。

𝐉 = 𝑨

^∗

𝑻

^𝟐

𝒆𝒙𝒑 �

^{−𝒒�𝚽}^𝑩^{−�𝒒𝑬 𝟒𝝅𝜺}_𝒌 ^⁄ ^�

𝑩𝑻

� ...

^{eq. 9}

𝑱 ：電流密度

𝑨^∗：有效理查森常數 𝐓 ：絕對溫度

𝚽𝐁 ：金屬層與介電層介面位能障高度(Barrier Height) 𝐄 ：外加電場 𝛆 ：介電層的介電係數

~ 24 ~

Fig.25 蕭基施加電場與否能障的改變^[28]

(b) Poole-Frenkel emission^{[ 2 9 ]}

Poole-Frenkel 發射機制類似於蕭特基發射，而兩者之間的區別在於電流傳導的載子來源， Poole-Frenkel 所發射的載子源自於絕緣層之中，絕緣層內的缺陷所捕捉的載子達一定的動能條件而熱發射，當絕緣層中含有較高密度的缺陷時，這些缺陷會在絕緣層的位能障中產生新的缺陷位能井，當施加一足夠大的外部電場時，使缺陷位能井內載子熱激發至傳導帶。 (Fig.26)

~ 25 ~

𝐉 = 𝑬𝒆𝒙𝒑 �

^{−𝒒�𝚽}^𝑩^{−�𝒒𝑬 𝟒𝝅𝜺}_𝒌 ^⁄ ^�

𝑩𝑻

� ...

^{eq. 10}

Fig.26 因施加電場使電子躍至傳導帶，並在缺陷間移動^[28]

(c) Fowler-Nordheim tunneling^{[ 3 0 ]}

高電場下絕緣體最常見之傳導機制，穿隧發射是源於電子的量子特性，其物理意義在於電子的波函數可以穿過位能障礙，依據量子力學的理論，微觀粒子波動特性明顯，而當電子波函數穿過位能障，其機率波函數的平方即為電子穿過位能障之機率。穿隧效應基本上與溫度無關，但與外加的高電場有關，而 Fowler-Nordheim 穿隧又需考慮外加電場所造成的能帶傾斜，使得載子可以穿隧因傾斜而變窄的位能障厚度 (Fig.27)。因為穿隧效應與薄膜厚度直接相關，膜厚越厚則穿隧機率越小，因此當厚度增加則會不易發現此漏電流機制，但載子可能經由多次穿隧的方式通過薄膜 (TAT，

Fig.28)

~ 26 ~

Fig.2 7 因施加電場而降低的能障，並使得電子能穿隧^[28]

(d) Trap assisted tunneling (TAT)^[23]

此種類的漏電流機制主要發生於，在絕緣層薄膜內有較高密度的缺陷(或是摻雜金屬的能階)，當電子傳導到這些缺陷能階(或是金屬)密度較集中的絕緣層薄膜時，電子可以直接穿隧至另一輔助傳導的能階，這也是載子經由多次穿隧而流通絕緣層薄膜。

這樣的傳導機制對於電阻切換時，絕緣層中缺陷的密度，正比於電子的穿隧機率，薄膜在高阻態狀況下電子不易形成穿隧，但當外加電場時，能障高度下降，電子就可以順利通過絕緣層薄膜，並且在中斷外加電場下仍然保持電子可以穿隧缺陷間能障的水準，只有當施加反向電場時又重新將能障高度提升，

而阻擋穿隧電流。(Fig.28)

J ≅ exp �−

^8π�2qm_3h𝐸 ^∗

Φ

_t³²

�

...eq. 11 𝐦^∗：電子等效質量

𝚽𝐭：缺陷能障高度

~ 27 ~

Fig.28 能障因外加電場下降，導致介電層中缺陷輔助電子穿隧^[31]

(e) 空間限制電流 (space charge limited current)^[28]

半導體或絕緣層中含有殘存的剩餘電荷即被稱為空間電荷，當注入半導體中的電荷濃度大於內部傳導載子濃度時，額外的多餘電荷就會為空間電荷的主要成因，此時半導體中的內部電場受空間電荷影響。

空間電荷限制電流常見於載子注入較為低摻雜濃度之半導體，因為注入電流以漂移電流為主，又因為主導飄移電流的內部電場來源是空間電荷，因此當沒有缺陷產生的前提下，空間電荷產生的電場與注入電流相互制約。(Fig.29)

~ 28 ~

𝐉 =

^{𝟗𝛆𝛍𝐕}_𝟖𝐝_𝟑^𝟐

. ...

^{eq. 12}

𝛍 ：載子遷移率

Fig.29 載子堆積於金屬與介電層介面處^[28]

(f) 歐姆傳導^[27]

常發現在高阻態於低電壓區間及高溫時，電子熱激發後跳至鄰近態位而

傳導。歐姆特性機制與溫度呈現指數關係。

𝐉 ∝ 𝐄 𝐞𝐱𝐩 �

^−𝐄_𝐤 ^𝐚𝐜

𝐁𝐓

� ...

^{eq. 13}

𝐄𝐚𝐜： 電子活化能

~ 29 ~

在文檔中鐵摻雜β相三氧化二鉍薄膜的磁致電阻切換特性研究 (頁 36-42)