基于聚邻甲氧基苯胺阻变存储器的性能调控与机理分析

发布时间：2018-06-28 06:00

本文选题：聚邻甲氧基苯胺(POMA) + 阻变存储器　；参考：《山东大学》2017年硕士论文

【摘要】：随着人们对高速、便捷、可靠电子产品需求的不断增加,阻变存储器(RRAM,resistive random access memories)以其特有的优势成为下一代新型非易失性存储器潜力无限的候选者之一。然而RRAM器件中电形成(Electroforming/Forming,EF)及阻变(Resistive Switching,RS)过程背后的物理机制至今仍扑朔迷离。过去几十年里,非易失性存储器的功能材料被大量研究,但主要集中在无机材料。值得注意的是,近年来有机或聚合物材料凭借其低成本、高柔韧性、简单的单元结构及制作工艺等优点获得了广泛的瞩目,深受广大研究者的青睐。本论文基于我们前期的工作,深入研究了基于聚邻甲氧基苯胺(POMA,poly(o-methoxyaniline))的有机 RRAM 器件。首先是优化了 Al/POMA/ITO 器件的制备工艺,提高了器件的成品率;在此基础上继续优化了器件测试的手段,引导并保护器件的电形成过程,以得到后续稳定的阻变行为。接着研究了不同因素对阻变特性的影响,尝试从多角度更好的去调控POMA基RRAM的性能,并为器件存储机理的分析提供帮助。最后根据不同电极器件Ⅰ-Ⅴ特性曲线的线性拟合结果,初步提出器件的存储机理可能是导电细丝机制;采用导电AFM测试成功观察到导电细丝的形成和断裂,有力地确认了 POMA+阳离子导电细丝机理;论文的最后通过对阻变性能退化机制的分析进一步为此存储机理提供了验证。具体的研究工作及结果如下。(1)POMA基RRAM器件制备工艺的优化在ITO导电玻璃上旋涂POMA薄膜,在薄膜上蒸镀图案化的金属顶电极;或者在Si02/Si衬底上蒸镀一层金属底电极,接着旋涂POMA薄膜和蒸镀图案化的金属顶电极,就制备成了"三明治"结构的POMA基RRAM器件。通过引入DECON 90清洗液优化了衬底的清洗工艺,保证了高标准的清洗。通过确保器件的制备及测试尽量在超净间进行,保证了器件单元结构的整洁性。通过采用更适合在聚合物上蒸镀电极的热蒸发方式,保证了金属顶电极(Al、Au、Ag等)成膜质量的同时,也保证了阻变功能层POMA的性能不受影响。(2)探讨各种因素对阻变特性的影响采用电子束蒸发和热蒸发蒸镀金属顶电极,得到相同结构的Al/POMA/ITO器件,我们发现电子束蒸发制备的器件在测试中经常变黑,电极质量不好,这使得器件的Forming行为"若隐若现",SET电压等参数也有待改善。而热蒸发制备的器件在测试过程中电极很少有变黑的现象,不仅成品率更高,综合性能也得到大幅提升。在旋涂法制备POMA薄膜的过程中,通过改变有机溶剂及旋涂的层数等得到不同厚度的POMA薄膜,但最终发现不同膜厚的Al/POMA/ITO器件表现出一致的Forming行为和双极特性曲线,因此POMA膜厚对器件的性能并无显著的影响。然后我们构建了多种电极体系器件,成功制备了无顶电极的POMA/ITO(1),Al/POMA/ITO(2),Au/POMA/ITO(3),Ag/POMA/ITO(4),Al/POMA/Al/Si02/Si(5),Al/POMA/Au/Ti/Si02/Si(6)和 Al/POMA/PEDOT:PSS/ITO(7)器件。发现不同的器件尽管有着各自独特的阻变性能,但唯一不变的是阻变的类型都是双极性的,我们相信这必然与阻变功能层POMA有关。其中无顶电极器件(器件1)和Al顶电极器件(器件2)表现出一致的正向电压Forming、负向SET和正向RESET的顺时针方向的双极阻变特性,Au顶电极器件(器件3)表现出Forming-free的逆时针方向的双极阻变特性,Ag顶电极器件(器件4)和PEDOT:PSS/ITO底电极器件(器件7)则表现出Forming-free的对称特性的双极阻变特性,即既可以是顺时针的也可以是逆时针的,这取决于首次电压扫描的方向。而Al电极对称器件(器件5)和Au底电极器件(器件6)由于另外蒸镀了底电极,难以保证旋涂的POMA薄膜的质量,因此器件的性能不是很稳定,都需要很小的限制电流来保护。其中A1电极对称器件在观测到一至两次对称的双极阻变特性后就变得极不稳定,最终停留在高阻态。Au底电极器件在1 mA限制电流的保护下,出现较稳定的逆时针方向的双极阻变特性。随后底电极Au的扩散使得器件很容易被击穿。(3)POMA基RRAM器件存储机理的研究首先我们对性能优异的五种不同电极器件的Ⅰ-Ⅴ特性曲线进行了线性拟合来初步分析器件的阻变机理。各种器件的拟合结果都不相同:Al顶电极器件(器件2)和无电极器件(器件1)的阻变行为与肖特基发射模型吻合的很好;Au顶电极器件(器件3)在SET前的低电压区域符合P-F发射模型,在较高电压区域符合肖特基发射模型;Ag顶电极器件(器件4)和PEDOT:PSS/ITO底电极器件(器件7)在SET前符合SCLC模型。这五种器件的拟合结果初步表明器件在高、低阻态间的转变应该归因于POMA薄膜内部发生的导电细丝机理。然后对无顶电极的POMA/ITO器件(器件1)进行了导电AFM测试,发现器件在高、低阻态间的转变对应观察到的带状分布的电流尖峰的形成和消失。这种局域化的电流尖峰的出现和消失正是导电细丝形成和断裂的表现,从而有力地证实了 POMA基RRAM器件的阻变机理正是POMA材料发生的氧化还原反应引起的阳离子细丝传导。最后我们进行了阻变性能退化的机理分析,发现在耐久性测试中随着循环阻变次数的增加,器件往往退化到中间态,这正是由于多次阻变之后POMA薄膜里阳离子细丝的残留引起的。阻变性能的这种退化在某种程度上支撑并印证了导电细丝存储机理。
[Abstract]:In the past few decades , organic or polymeric materials have been studied extensively in the past few decades . ( 1 ) The POMA - based RRAM device is optimized on ITO conductive glass by optimizing the preparation process of POMA - based RRAM device . The POMA - based RRAM device with sandwich structure is prepared by depositing a layer of metal bottom electrode on the film , then spin - coating POMA thin film and evaporation - patterned metal top electrode . In the process of preparing POMA thin film by spin coating , it is difficult to obtain POMA / ITO ( 1 ) , Al / POMA / Al / Si02 / Si ( 5 ) , Al / POMA / Au / Si02 / Si ( 5 ) , Al / POMA / Au / Si02 / Si ( 5 ) , Al / POMA / Au / Ti / Si02 / Si ( 6 ) and Al / POMA / PEDOT : PSS / ITO ( 7 ) .
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP333

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