电铸Al-Al?O?-Ag二极管价带态与缺陷导带的电子发射及紫外电致发光

摘要： 金属-绝缘体-金属（MIM）二极管的电铸过程是一种软介质击穿现象，会导致导电细丝穿过二极管形成。这是开发阻变存储器中可发生开关的导电态的关键步骤。研究了两组电铸铝-氧化铝-银二极管（非晶阳极氧化铝厚度介于20纳米至49纳米之间）的导通、电子发射到真空（EM）和电致发光（EL）特性。当出现表征铝-氧化铝-金属二极管电铸过程的电流突增时，EM和EL同时显现。电铸后电流-电压（I-V）特性中存在电压控制的微分负电阻。电子发射存在与施加电压VS相关的温度无关电压阈值VEM ? 4 V，并呈现指数增长。当VS超过第二个温度无关电压阈值UEM时，区域III会出现EM的二次指数增长——其中一组铝-氧化铝-银二极管的UEM约为6.6 V，另一组约为7.9 V。在4 V ? VS ? UEM的区域II内，EM基本保持恒定。采用两个带通滤波器对电铸铝-氧化铝-银二极管的EL进行表征：长通（LP）滤光片配合光电倍增管响应能量约1.8 eV至3.0 eV的光子；短通（SP）滤光片测量约3.0 eV至4.2 eV的紫外（UV）辐射。对应EM区域I，当VS超过温度无关电压阈值VLP ? 2.0 V和VSP ? 2.2 V时，EL呈现指数增长。在区域III，当VS超过温度无关电压阈值USP时，SP滤光片测量的UV出现二次指数增长——其中一组电铸铝-氧化铝-银二极管的USP ? 7.9 V，另一组≈8.8 V（USP > UEM）。两组均观测到来自非晶氧化铝价带态的EM。两组电铸铝-氧化铝-银二极管UEM与USP的差异，归因于非晶氧化铝中F0-或F+-中心基态形成的缺陷导带（氧空位）是否存在。在低电导态下观测到电铸铝-氧化铝-金属二极管的EM或EL呈指数增长，这与涉及导电细丝断裂的MIM二极管开关机制不符——因为若断裂影响二极管电流，理应同时切断EM和EL。