硅纳米粒子增强的两端充电调控记忆器件：基于富硅氮化硅薄膜的Frenkel-Poole发射

本文主要探讨了一种基于富硅氮化硅薄膜（Si-rich silicon nitride, Si3N4）的新型两端充电控制存储器件的研究。硅纳米粒子（Si-NPs）作为关键元素被引入到氮化硅薄膜中，通过硅离子（Si ions）的植入并经过高温热退火工艺实现。随着硅离子注入剂量的不同，Si-NPs在Si3N4基质中的浓度相应变化，这直接影响了器件的性能。 在该研究中，科学家们构建了一种嵌入Al/Si-NP结构的Si3N4/p-Si复合材料。通过这种结构，他们观察到了由于器件内部电荷积累而引起的存储行为。当进行电流-电压（I-V）测量时，研究者揭示了载流子（电子和空穴）在不同电场条件下的传输机制。在低电场下，电流的传输表现为跳跃式（hopping-based）导电，这是一种非扩散机制，其中载流子通过量子隧穿在势垒间移动。 然而，当电场提高到一定程度时，Frenkel-Poole（F-P）发射效应占据了主导地位。Frenkel-Poole模型描述的是在电场作用下，载流子越过势垒的发射过程，特别适用于半导体中的表面和界面缺陷。在正电压条件下，电荷在氮化硅膜中的Si-NPs中引发电子被捕获，增强了F-P发射，导致器件电阻显著下降，从而实现电荷存储。相反，负电压条件下，空穴的捕获会抑制电流传导，从而影响存储效果。 这项研究的结果表明，基于嵌入Si-NP的Si3N4薄膜的两端子器件具有潜在的应用价值，作为一种充电控制的存储器件，它可能在诸如非易失性存储器、传感器或能量存储系统等领域展现独特的性能优势。通过精细调控硅离子的注入剂量和电场条件，未来有可能实现更高密度和更快速度的电荷操控，对于发展高性能的纳米电子设备具有重要意义。