电极、界面修饰对Pr0.7Ca0.3MnO3及ZnO薄膜电致电阻效应的影响

摘要

随着科技的飞速发展和人们生活节奏的不断加快,每年都产生大量的信息,其中有大量的有用信息需要存储起来,因而对存储器的要求越来越高。新兴的电阻式随机存储器以其结构简单、读/写速度快、存储密度高、低功耗、与COMS工艺兼容性好等优势而受到人们的青睐。目前RRAM还处在实验室研究阶段,有很多性能有待研究与开发。由于RRAM器件电阻转变的物理机制尚不清楚,RRAM器件电阻态的稳定性、转变电压的均匀性和疲劳性仍存在诸多问题,因此难以满足实用化的要求。本论文针对RRAM研究的热点,选择具备阻变存储性能的Pr0.7Ca0.3MnO3和ZnO薄膜进行研究。
　　1、在PCMO薄膜材料的阻变存储性能研究中,首先以Pt做底电极,制备多种活性顶电极,研究不同活性金属顶电极对其存储性能的影响。通过阻变测试中各种性能的比较,最终选择活性金属Ti做顶电极材料。在此基础上,采用室温下导电且与PCMO结构类似的La0.67Sr0.33MnO3做底电极材料,制备成Ti/PCMO/LSMO异质结。LSMO的晶格常数与PCMO的晶格常数非常接近,做底电极材料不仅可以有效地避免PCMO薄膜与Pt直接接触时产生的高密度的界面缺陷,且在电阻转变过程中,LSMO可做PCMO薄膜的蓄氧池,为PCMO层提供更多的氧离子,使得顶电极Ti与PCMO界面形成的TiOx层变厚,增大PCMO薄膜的电阻转变比率,改善其保持性,提高其疲劳特性。
　　2、目前ZnO薄膜材料阻变性能的研究结果表明,Ag/ZnO/Pt异质结的第一次Ⅰ-Ⅴ循环过程中电阻发生转变的电压和随后电阻转变过程中的SET及RESET电压分布过于弥散,正负交替的电脉冲激励下电阻转变疲劳性很差,其原因主要是ZnO薄膜中导电细丝通路的形成和断裂非常随机,不易控制。本论文针对ZnO薄膜在阻变过程中转变电压不均匀、保持性和疲劳性差等问题,利用脉冲激光沉积技术人为地在底电极Pt与转变层ZnO薄膜之间添加不同活性的金属纳米颗粒,分别考察金属Ag、Al和Ti纳米颗粒对ZnO薄膜阻变性能的影响。在底电极Pt与转变层ZnO之间添加不易氧化的金属Ag纳米颗粒后,降低了导电细丝通路的随机性。随着金属Ag纳米颗粒的增加,产生的导电细丝过多,就会使得某些细丝不稳定,疲劳性测试中,高阻值也出现了较大的波动。人为添加金属Al纳米颗粒之后,同样达到了改善ZnO薄膜阻变性能的目的,金属Al极易氧化,密度过小时,一部分Al纳米颗粒在沉积过程中可能就被氧化了,只有很少一部分颗粒起到了作用。在底电极Pt与转变层ZnO薄膜之间添加活泼性介于Al和Ag之间的Ti纳米颗粒。其效果要优于Ag和Al纳米颗粒,不仅使得Ag/ZnO-Ti/Pt异质结的转变电压降低,且分布集中,保持性以及疲劳特性也都得到了进一步的改善。在添加适当密度的纳米颗粒之后,凸起的高传导性金属颗粒点对电流起到了诱导作用,使得传导细丝通路一致性得到极大提高,从而改善了存储性能。