基于柔性衬底的ZnO薄膜阻变特性研究

摘要

虽然Flash技术在当今半导体存储领域仍然占有很大市场，但是由于Flash技术高的操作电压(5V以上)、低的操作速度以及低的存储密度等缺点，使其无法满足未来使用要求而作为下一代存储器使用。目前，有基于不同原理的多种存储器被认为是可以取代 Flash技术且可以满足未来对存储器的使用要求。在这些存储器中，铁电存储器、相变存储器、磁存储器和阻变存储器因其自身的存储优点被认为最有潜力成为下一代非挥发性存储器。
　　在这四种非挥发性存储器中，通过区分两种不同阻值状态来定义逻辑上的“0”和“1”的阻变存储器，因为具有良好的抗疲劳特性、较小的操作电压、与传统硅基CMOS工艺兼容等优点而最具潜力成为下一代存储器的候选者。可逆的阻变行为在有机材料、钙钛矿化合物、固态电解质和过渡族金属氧化物等诸多材料种类中均已发现。另一方面，在未来电子应用信息存储领域，柔性非挥发存储器因具有薄的厚度、轻的重量、可弯折、能印刷和延展性好而引起的国内外研究人员的兴趣。目前，关于柔性阻变存储器的使用国内外研究人员进行了大量的研究工作。ZnO薄膜具有阻变性能，并且作为阻变薄膜时可同时拥有单极性和双极性现象、可靠的保存时间、抗疲劳性等优点，因此 ZnO薄膜作为阻变材料被广泛研究。为了提高ZnO薄膜的阻变性能，掺杂和做成多层结构是两种有效的可行方法。
　　在本论文中，采用脉冲激光沉积法，室温条件下在柔性衬底 PET上生长了纯ZnO薄膜和 Cu掺杂的 ZnO薄膜，研究了其结构和阻变特性。研究了不同氧分压、激光能量和薄膜厚度对ZnO薄膜阻变特性的影响，得到了采用脉冲激光法沉积 ZnO阻变薄膜的最佳工艺参数。利用最佳工艺参数在 PET衬底上沉积了掺杂Cu浓度分别为1 mol％、3 mol%和5 mol%的 ZnO薄膜。研究薄膜的结构和电学性能。研究结果表明：
　　1、采用脉冲激光法制备ZnO阻变薄膜的最佳工艺参数分别是10Pa氧分压、100 mJ激光能量、160 nm薄膜厚度；
　　2、ZnO薄膜在PET衬底上具有高度的(002)取向，柱状结构生长；
　　3、发现纯 ZnO薄膜的抗疲劳特性差、高低阻值不稳定，与纯 ZnO薄膜比较发现，掺 Cu后的薄膜高低阻值波动小、抗疲劳特性好、较长的保存时间，而nCu=3 mol%的薄膜阻变行为达到了最好状态；
　　4、为了研究导电机制，对薄膜的I-V曲线进行了log I-log V拟合，发现在低阻态时，符合欧姆导电特性，在高阻态时，则符合欧姆导电特性和空间电荷限制电流效应；
　　5、对器件的抗弯折性进行了测试，nCu=3 mol%的 ZnO薄膜连续弯折以后器件扔保持优良的抗疲劳特性，研究结果表明此器件在柔性存储器领域是有力的候选者。

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第一章 绪 论

1.1引言

1.2新型非挥发存储器

1.3阻变存储器的性能参数及研究现状

1.4 ZnO的基本性质

1.5论文研究内容及创新点

第二章薄膜的制备与表征方法

2.1脉冲激光沉积(PLD)制备方法的介绍

2.2薄膜的微观结构表征方法

2.3薄膜阻变特性测试

第三章ZnO薄膜的制备工艺与性能研究

3.1氧分压对ZnO薄膜结构及阻变性能的影响

3.2激光能量对ZnO阻变性能的影响

3.3薄膜厚度对ZnO薄膜阻变性能的影响

3.4本章小结

第四章Cu掺杂浓度对ZnO薄膜阻变性能的影响

4.1掺Cu的ZnO(Cu:ZnO)陶瓷靶材的制备

4.2 Cu掺杂对ZnO薄膜的表面形貌影响

4.3 Cu掺杂对ZnO阻变薄膜阻变性能的影响

4.4本章小结

第五章 薄膜阻变行为的阻变机理

5.1氧化物薄膜材料的阻变机理

5.2 ZnO薄膜的阻变机理研究

5.3 ZnO薄膜的细丝导电机理

5.4本章小结

第六章 结 论

致谢

参考文献

研究生期间获得的成果