氧化钛薄膜的阻变性能研究

发布时间：2017-08-31 09:48

  本文关键词：氧化钛薄膜的阻变性能研究

  更多相关文章： 阻变存储器 电阻转换现象 氧化钛 掺杂氧化钛薄膜 双层结构器件

【摘要】：在过去的几十年中,由于高速/高存储密度的非易失性存储器(NVMs)的出现,信息技术持续发展从而使得我们的计算机具有强大的处理能力。然而,传统非易失性存储器(例如闪存)的器件尺寸将在不远的将来达到技术及物理极限。为了解决这一问题,研究者们提出了一些新型非易失性存储器的概念。基于新型材料的下一代非易失性存储器候选,有相变存储器、铁电存储器、磁变存储器及阻变存储器(RRAM)。在这些存储器中,基于一些材料电阻转换效应的阻变存储器得到了十分广泛的关注,这是由于其结构简单、低功耗、高开关比、擦写速度快、保持时间长以及与半导体工艺兼容等优点。许多多晶态与非晶态的过渡金属氧化物(TMOs)被应用于阻变存储器中,其中包括TiO2、ZrO2、ZnO及HfO2等。而基于氧化钛的阻变存储器,其电阻转换机制较为清晰:TinO2n-1(即所谓的Magnéli相)导电细丝的形成与断裂。因此,我们选择氧化钛薄膜的阻变存储器为研究重点,具体工作内容如下:(1)利用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了氧化钛薄膜并运用相应手段对其进行了微观结构表征。然后,运用Keithley 4200-SCS半导体参数分析仪测试了Pt/TiO2/Pt器件的电学性能,发现Pt/TiO2/Pt器件存在单、双极性阻变共存的现象且不需要电初始化过程。电阻转换阈值电压及高阻态阻值的分布均较为分散,需要进一步提升器件的稳定性。(2)运用溶胶-凝胶法合成了三价离子(Al、Cr)与二价离子(Cu)掺杂的氧化钛薄膜,并对比了它们的阻变性能。与未掺杂氧化钛器件相比,Al、Cr、Cu掺杂器件的阻变性能得到了明显改善,包括减低了set电压、提高了转换电压与高阻态的稳定性。尤其是Cu掺杂器件,阻变性能的改进更为突出。这是由于二价离子掺杂能够使氧化钛薄膜内氧空位生成增多。此外,关于掺杂引起的氧化钛薄膜内氧空位生成能的降低,我们通过实验验证了理论计算的结果。(3)此外,我们还探究了在氧化钛基阻变存储器上添加非晶态氧化锆层所造成的影响,在其中氧化锆层扮演着补充氧空位的储氧池这一重要角色。与Pt/TiO2/Pt单层结构相比,Pt/ZrO2/TiO2/Pt系统中阻变参数的均匀性得到了显著改善,例如转换电压及高、低阻态阻值。50次循环后,双层结构器件在0.5 V的读取电压下高、低阻态阻值分别约为130 kΩ与50Ω,开关比稳定在2600左右。
【关键词】：阻变存储器 电阻转换现象 氧化钛 掺杂氧化钛薄膜 双层结构器件
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.2;TP333
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-26
• 1.1 非易失性存储器分类9-11
• 1.1.1 传统非易失性存储器9-10
• 1.1.2 新型非易失性存储器10-11
• 1.2 电阻转换效应简介11-12
• 1.3 阻变存储器的基本结构及材料体系12-19
• 1.3.1 阻变存储器的基本结构12-13
• 1.3.2 阻变介质材料体系13-19
• 1.4 阻变存储器的电阻转换机理19-24
• 1.4.1 导电细丝机制19-21
• 1.4.2 界面效应21-24
• 1.5 阻变存储器的研究现状24
• 1.6 本论文选题依据24-26
• 第二章 氧化钛阻变存储器的制备及表征方法26-33
• 2.1 氧化钛薄膜的制备26-29
• 2.1.1 薄膜材料的制备方法26-27
• 2.1.2 氧化钛薄膜的制备流程27-29
• 2.2 微观结构表征方法29-31
• 2.3 电学性能表征方法31-33
• 第三章 氧化钛薄膜的阻变性能33-42
• 3.1 氧化钛薄膜的微观表征33-35
• 3.1.1 氧化钛薄膜的XRD图谱33
• 3.1.2 氧化钛薄膜的XPS图谱33-35
• 3.1.3 氧化钛薄膜的表面形貌35
• 3.2 Pt/TiO_2/Pt器件的阻变特性35-38
• 3.3 Pt/TiO_2/Pt器件的阻变机制38-39
• 3.4 Pt/TiO_2/Pt器件的循环与保持特性39-40
• 3.5 在不同衬底上氧化钛薄膜器件的阻变性能40
• 3.6 本章小结40-42
• 第四章 氧化钛阻变器件的掺杂改性42-55
• 4.1 掺杂改性的理论基础42-44
• 4.2 氧化钛阻变器件的掺杂方案44-45
• 4.3 三价离子掺杂氧化钛器件的阻变性能45-50
• 4.3.1 三价离子掺杂氧化钛薄膜的微观表征45-48
• 4.3.2 三价离子掺杂氧化钛器件的电学性能48-50
• 4.4 二价离子掺杂氧化钛器件的阻变性能50-52
• 4.4.1 二价离子掺杂氧化钛薄膜的微观表征50-51
• 4.4.2 二价离子掺杂氧化钛器件的电学性能51-52
• 4.5 降低的氧空位生成能对掺杂器件阻变性能的影响52-54
• 4.6 本章小结54-55
• 第五章 插入层对氧化钛基阻变器件的性能调控55-64
• 5.1 氧化物插入层对阻变器件的性能调控55-61
• 5.1.1 氧化物插入层的选取55-56
• 5.1.2 ZrO2/TiO_2双层结构的微观表征56-58
• 5.1.3 Pt/ZrO2/TiO_2/Pt器件的电学性能58-60
• 5.1.4 Pt/ZrO2/TiO_2/Pt器件的阻变机制60-61
• 5.2 其他功能层对阻变器件的性能调控61-62
• 5.2.1 Pt/TiO_2/BNT/Pt器件结构61-62
• 5.2.2 Pt/TiO_2/BNT/Pt器件的电学性能62
• 5.3 本章小结62-64
• 第六章 总结与展望64-66
• 6.1 论文总结64
• 6.2 工作展望64-66
• 参考文献66-73
• 致谢73-74
• 附录 攻读硕士学位期间发表论文目录及所参加的学术会议74

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本文编号：764898