溶液法制备的ZnO基薄膜及其阻变存储器的研究

发布时间：2017-10-15 08:06

  本文关键词：溶液法制备的ZnO基薄膜及其阻变存储器的研究

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【摘要】：随着信息科学技术的发展,电子系统对存储器的要求越来越高,特别是随着可移动智能设备、云计算机、云存储和高清影音的出现。存储器正朝着高速、大容量、高存储密度、低功耗的方向发展,但是传统的硅工艺存储技术已经日趋其技术极限。同时,硅工艺也存在成本高、功耗大等问题。单纯靠微缩技术的进步已经很难使硅基存储器满足未来存储技术的要求。相变存储器(PRAM)、铁电存储器(FeRAM)、磁阻式存储器(MRAM)和阻变存储器(RRAM)等新型的存储技术以其各自的优点,吸引了越来越多研究人员的兴趣。其中阻变存储器以其结构简单、操作速度快、功耗低、与CMOS工艺兼容等优点成为最具潜力的下一代非挥发性存储器之一。ZnO基薄膜具有优良的电学、光学性能,其良好的阻变特性也已经被报道,但是基于ZnO基材料的阻变器件的制备方法、材料选择和很多其他因素尚未得到系统的探讨。因此本文从材料制备到器件性能测试,系统地研究ZnO基薄膜材料的阻变特性及器件应用。本文采用溶液法配制ZnO基材料溶液,探究稳定剂对溶液的稳定性、成膜性的影响。实验结果表明,过量的乙醇胺能提高溶液的稳定性,同时也能提高溶液所制备薄膜的质量。选用硝酸银和柠檬酸钠为反应物生成柠檬酸银,并以其作为银源,1,2丙二胺为络合剂’,配制不同溶剂的银墨水。通过对比实验,发现以甲醇和异丙醇混合液为溶剂的银墨水,采用喷墨打印,在ZnO基薄膜上具有良好的成型和成膜性。在ITO玻璃衬底上,以ZnO基薄膜作为阻变介质层、银薄膜作为电极组装成金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal, MIM)结构的阻变存储器,分析不同ZnO基材料阻变开关行为的微观物理机制。通过测量器件的Ⅰ-Ⅴ特性曲线,研究了Ag/ZnO/ITO、 Ag/GZO/ITO和Ag/IGZO/ITO器件的阻变开关特性,其阻变行为可归因于阻变介质层中的银导电细丝的形成与断裂。Ag/IZO/ITO器件则无稳定的阻变开关现象。通过比较具有不同厚度阻变介质层的Ag/IGZO/ITO器件,研究阻变层厚度对器件性能的影响。结果表明,随着阻变层厚度的增加,器件的forming.'set'和'reset'都在增加,器件的电学参数波动也增大。通过与基于重掺杂硅衬底的Ag/IGZO/Si阻变器件对比,发现在ITO玻璃衬底上的器件具有更好的阻变开关特性,器件高阻态的稳定性更好。单极性Ag/IGZO/ITO器件的可靠性测试表明,同一衬底上器件的初始阻值、低阻态阻值和高阻态阻值均在可接受的范围区间内分布。器件性能测试表明基于MIM结构的Ag/IGZO/ITO阻变存储器的存储窗口超过两个数量级,具有良好的耐疲劳特性、数据保持特性和可读性。
【关键词】：阻变存储器 ZnO IGZO 阻变特性 喷墨打印
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP333;O484.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第一章 绪论14-26
• 1.1 传统的存储技术14-17
• 1.1.1 随机存储器14-16
• 1.1.2 Flash存储器16-17
• 1.2 新型存储技术17-21
• 1.2.1 相变存储器17-18
• 1.2.2 磁阻式存储器18-19
• 1.2.3 铁电存储器19-20
• 1.2.4 阻变式存储器20-21
• 1.3 阻变存储器的研究进展21-23
• 1.3.1 阻变特性物理机制的研究22-23
• 1.3.2 电极、阻变层材料的研究23
• 1.4 ZnO基薄膜23-24
• 1.5 本论文的研究目的和主要内容24-26
• 1.5.1 本论文的研究目标24-25
• 1.5.2 本论文的主要内容25-26
• 第二章 实验方法及表征手段26-35
• 2.1 实验器材26-27
• 2.2 薄膜制备方法27-29
• 2.2.1 凝胶-溶胶(sol-gel)法27
• 2.2.2 金属络合反应与银墨水制备27
• 2.2.3 旋涂(spin-coating)法27-28
• 2.2.4 喷墨打印(ink-jet printing)法28-29
• 2.3 薄膜、器件的表征方法与原理29-35
• 2.3.1 薄膜表面形貌、成分与扫描电子显微镜、能量色散谱29-31
• 2.3.2 物相与X射线衍射31
• 2.3.3 反应温度与热重分析和示差扫描量热法31-32
• 2.3.4 方块电阻与四探针测试仪32-34
• 2.3.5 I-V特性曲线与半导体特征分析系统34-35
• 第三章 薄膜的制备35-50
• 3.1 ZnO基材料薄膜的制备35-43
• 3.1.1 引言35
• 3.1.2 ZnO基材料溶液的配制及稳定剂的影响35-40
• 3.1.3 ZnO基材料薄膜的制备40-43
• 3.2 银电极的制备43-49
• 3.2.1 引言44
• 3.2.2 银导电墨水的制备44-46
• 3.2.3 银电极的制备46-49
• 3.3 本章小结49-50
• 第四章 ZnO基阻变存储器的制备与阻变特性研究50-68
• 4.1 ZnO基薄膜的阻变特性50-55
• 4.1.1 引言50
• 4.1.2 阻变器件制备50-51
• 4.1.3 器件的测试51
• 4.1.4 结果与分析51-55
• 4.1.5 本节小结55
• 4.2 IGZO阻变层厚度对阻变特性的影响55-60
• 4.2.1 引言55
• 4.2.2 实验过程55-56
• 4.2.3 结果与分析56-59
• 4.2.4 本节小结59-60
• 4.3 衬底对阻变特性的影响60-62
• 4.3.1 引言60
• 4.3.2 实验过程60
• 4.3.3 结果与分析60-62
• 4.4 IGZO阻变存储器可靠性测试62-66
• 4.5 本章小结66-68
• 总结与展望68-71
• 特色与创新之处71-72
• 参考文献72-78
• 攻读硕士学位期间发表的论文与参与项目78-80
• 致谢80

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本文编号：1035989