ZnO基多元金属氧化物阻变开关的制备与研究

发布时间：2017-10-05 10:29

  本文关键词：ZnO基多元金属氧化物阻变开关的制备与研究

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【摘要】：随着存储器的快速发展,传统Flash存储器尺寸已经接近其物理限制。阻变存储器(RRAM)凭借其结构简单、功耗低、读写速度快、储存密度高以及与现有CMOS工艺相兼容等特点,被认为是下一代非易失性高密度存储器的有力竞争者。金属氧化物薄膜作为阻变开关介质层材料表现出了良好的阻变特性,是当前阻变存储器的研究热点,但要进一步实用化,则需解决阻变器件的重复性和稳定性问题,并明确器件阻变特性的机理,基于此,我们研究了ZnO基多元金属氧化物阻变开关的制备与特性。论文主要讨论了采用射频磁控溅射方法在不同衬底(玻璃、蓝宝石、聚酰亚胺、石英、单晶硅)上制备InGa ZnO(IGZO)薄膜,并分别采用Cu、Al作为顶电极材料,以掺Al的ZnO薄膜(AZO)为底电极,制备Metal/IGZO/AZO三明治结构的阻变开关器件。并且研究了工艺参数,如制备温度、氩氧比和薄膜厚度等对IGZO阻变开关性能的影响。本文进一步研究了不同嵌入层对IGZO阻变开关性能的影响,并制备得电流开关比大于102、循环特性稳定的CuO/IGZO双介质层阻变开关。IGZO与CuO/IGZO双介质层阻变开关的I-V测试表明,其I-V关系在低电压区域基本为线性,符合欧姆定律;在高电压区域I与V2成正比,满足卡尔德定律,可解释为陷阱控制的空间电荷限制电流效应。我们以金半接触势垒模型解释了不同金属电极使得阻变开关具有不同阻变性能的原因,CuO嵌入层与金属Cu电极和IGZO薄膜接触形成的肖特基势垒与异质结效应使CuO层形成了电子积蓄层,从而提高了IGZO阻变开关的电流开关比。论文第五章还介绍了在石英衬底和柔性聚酰亚胺衬底上制备CuGaZnO(CGZO)薄膜阻变器件,并且探讨了制备温度和氩氧比对CGZO薄膜阻变器件性能的影响。在对制备工艺的优化中发现,氩氧比对CGZO阻变薄膜器件的阻变效应有显著影响,因此氧空位迁移形成导电细丝模型可用于解释该器件的阻变机制。综上所述,本论文中所制备的IGZO阻变器件在103次的循环测试中表现出较稳定的抗疲劳性,但IGZO阻变开关的阈值电压过大,为±4V左右;增加CuO嵌入层可以提高IGZO阻变开关的电流开关比至102;而在柔性衬底上实现的CGZO阻变开关不仅具有较大电流开关比(102),且其阈值电压为±2V,因此开关功耗更低,具备更广的应用范围。
【关键词】：IGZO薄膜 CGZO薄膜 透明柔性器件 阻变开关
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP333;TB383.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 引言10
• 1.2 非易失性存储器的发展历程10-12
• 1.2.1 传统非易失性存储器10-11
• 1.2.2 新型非易失性存储器11-12
• 1.3 阻变开关的研究现状12-13
• 1.4 阻变开关器件阻变行为的分类和机理13-15
• 1.4.1 阻变开关器件阻变行为的分类13-14
• 1.4.2 阻变开关器件阻变机理的分类14-15
• 1.5 In Ga ZnO多元金属氧化物的介绍15-16
• 1.6 本文研究的意义、目的和主要内容16-18
• 第二章 薄膜阻变开关的制备与表征18-29
• 2.1 薄膜沉积原理18-21
• 2.1.1 射频溅射18-19
• 2.1.2 磁控溅射19-20
• 2.1.3 真空蒸发镀膜法20-21
• 2.2 ZnO基多元金属氧化物阻变开关的制备21-25
• 2.2.1 ZnO基多元金属氧化物阻变开关的结构21
• 2.2.2 实验设备和原材料21-22
• 2.2.3 靶材的制备22-23
• 2.2.4 衬底的处理23-24
• 2.2.5 ZnO基多元金属氧化物薄膜的制备24-25
• 2.2.6 顶电极的制备25
• 2.3 ZnO基多元金属氧化物薄膜和器件的表征与测试[38]25-28
• 2.3.1 X射线衍射25-26
• 2.3.2 扫描电子显微镜26
• 2.3.3 X射线光电子能谱26-27
• 2.3.4 阻变开关电学性能参数27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 IGZO薄膜的阻变特性研究29-51
• 3.1 IGZO薄膜的结构分析29-31
• 3.2 IGZO薄膜成分分析31-33
• 3.3 IGZO薄膜的阻变行为33-38
• 3.4 衬底材料对IGZO薄膜阻变特性的影响38-40
• 3.5 顶电极材料对IGZO薄膜阻变特性的影响40-42
• 3.6 衬底温度对IGZO薄膜阻变特性的影响研究42-47
• 3.7 薄膜厚度对IGZO薄膜阻变特性的影响研究47-48
• 3.8 氩氧比对IGZO薄膜阻变特性的影响研究48-49
• 3.9 本章小结49-51
• 第四章 嵌入层对IGZO阻变开关性能的影响51-59
• 4.1 嵌入层对IGZO薄膜阻变器件性能的影响51
• 4.2 Cu/Ga_2O_3/IGZO/AZO双介质层阻变开关的研究51-52
• 4.3 Cu/CuO/IGZO/AZO双介质层阻变开关的研究52-57
• 4.4 Cu/CuO/Ga_2O_3/IGZO/AZO多介质层阻变开关的研究57-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第五章 CGZO薄膜阻变特性的研究59-69
• 5.1 金属氧化物阻变薄膜的阻变性能研究59-61
• 5.1.1 Ga_2O_3薄膜阻变性能研究59-60
• 5.1.2 ZnO薄膜阻变性能研究60-61
• 5.2 CuGaZn O多元金属氧化物阻变器件性能的研究61-66
• 5.2.1 Cu/CGZO/AZO介质层阻变开关器件结构及成分研究61-63
• 5.2.2 衬底温度对Cu/CGZO/AZO介质层阻变开关性能影响研究63-65
• 5.2.3 制备气氛对Cu/CGZO/AZO介质层阻变开关性能影响研究65-66
• 5.3 在柔性聚酰亚胺衬底上制备CGZO阻变开关66-68
• 5.4 本章小结68-69
• 第六章 结论69-70
• 参考文献70-74
• 致谢74-75
• 攻硕期间取得的成果75-76

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