ZnO-TM(TM=Co,Cu)薄膜的电致阻变性能

摘要

基于二元金属氧化物的阻变式随机存储器（RRAM）由于结构简单、价格低廉等诸多优点，成为了人们研究的热点。ZnO是一种宽禁带半导体，能够广泛应用于电学和光学领域，同时与传统的半导体工艺兼容，所以常被人们选作阻变功能层。目前RRAM的研究还面临着很多问题，如选择不同的功能层及电极材料引起阻变行为各不相同，而且阻变机制也还不清楚。本文采用磁控溅射制备了 Pt作为底电极，ZnO、ZnO-Co和ZnO-Cu分别作为阻变功能层，Pt、Au、Cu和Co分别作为顶电极的阻变器件，分析了它们的结构和阻变特性，并对其阻变机制进行了探讨，主要内容如下：
　　（1）设计并制备了具有不同 ZnO厚度和顶电极材料的Pt/ZnO/TE(TE=Pt、Cu、Co)阻变器件。结果表明，ZnO薄膜的阻变性能与功能层厚度及电极材料密切相关。器件的转变电压随功能层厚度的增加而增大，电极材料的电负性、功函数、离子半径等内禀属性共同调控ZnO薄膜的阻变性能。
　　（2）设计并制备了Pt/ZnO-Co/TE(TE=Pt、Cu、Co)阻变器件，研究了其阻变行为与 ZnO薄膜的差异。研究表明，与 ZnO薄膜相比，ZnO-Co薄膜表现出阻变行为的发生不需要软击穿forming过程，而且转变电压较低，抗疲劳性良好的双极性阻变行为，尤其是电极材料对其阻变性能的影响被弱化。这主要归因于分散在ZnO薄膜中的金属Co颗粒不仅可以调节器件电阻，而且可以作为导电丝的前驱体；同时，在外加电场的作用下，Co颗粒周围的局域电场增强，减少了导电丝形成的随机性，提高了器件阻变性能。
　　（3）设计并制备了ZnO薄膜中分散两种不同物理属性的金属颗粒Co和Cu作为功能层的器件，研究了它们阻变性能的差异。结果表明，不同金属颗粒分散在 ZnO薄膜中时，会对其阻变性能产生很大影响。由于金属Cu、Co与ZnO功函数差异不同，导致电子需要填充的势垒高度有所差异，引起了两者转变电压的差异。
　　总之，通过设计具有不同电极的ZnO-TM(TM=Co, Cu)器件，研究电极以及功能层对器件结构、阻变行为的影响，并分析了它们的电致阻变机理，我们发现：在半导体（绝缘层）中分散一定量的金属颗粒，可以有效地减少器件初始电阻，降低能耗；同时，金属颗粒还可以起到增加局域电场的作用，有利于导电丝的形成。该研究将为未来进一步改善器件的阻变性能、探索阻变机制及实现多态存储方面提供了参考。

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1. 绪论

1.1 引言

1.2 新型非易失性存储器

1.3 阻变式随机存储器简介

1.4 本论文的研究思路

2. 薄膜的制备及分析表征

2.1 引言

2.2 磁控溅射法制备薄膜

2.3 薄膜的结构及性能表征

3. ZnO-Co薄膜与ZnO薄膜阻变性能的比较

3.1 前言

3.2 实验过程

3.3 ZnO薄膜的阻变性能

3.4 ZnO-Co阻变性能及其与ZnO的差异

3.5 本章小结

4 ZnO-TM(TM=Co,Cu)薄膜的阻变性能

4.1 引言

4.2 实验过程

4.3 ZnO-Co和ZnO-Cu薄膜的结构

4.4 ZnO-Co 和ZnO-Cu薄膜的阻变性能

4.5 ZnO-Co和ZnO-Cu薄膜的阻变机理

4.6 本章小结

5. 结论

致谢

参考文献

附录