不同电极对ZnO薄膜电阻开关特性的影响

摘要

这几年，存储器市场因电子产业的快速发展得到了迅速的扩张，同时，这也对存储器提出了更高的要求。未来的存储器需要有更快的速度，更低的功耗，更长的寿命，以及更小的尺寸。现在人们已经提出了多种非挥发性存储器，比如铁电存储器（FRAM）、相变存储器（PRAM）、磁阻存储器（MRAM）、电阻存储器（RRAM）。在这些非挥发存储器中，电阻存储器具有擦写速度快，运行功耗低，结构简单，与传统 CMOS工艺兼容性好等优点，被认为是能替代闪存，而成为下一代通用存储器。ZnO作为一种重要的宽禁带半导体材料，已表现出较为优异的电阻开关特性。虽然有关 ZnO薄膜电阻开关特性的研究工作不少，但是有关电极对ZnO薄膜电阻存储器性能影响方面的研究很少。在电阻存储器中，电极不仅可以用来传导电流，还会影响电阻存储器的开关性能，因此有必要研究电极对ZnO薄膜电阻开关性能的影响。
　　本文采用直流磁控溅射技术沉积ZnO薄膜，利用电子束蒸发技术制备电极，获得TE/ZnO/BE三明治结构的器件，其中TE为上电极，BE为下电极。采用X射线衍射仪，I-V特性测试仪等对ZnO电阻开关器件进行了测试分析，讨论了电极材料对Forming电压、Set电压、Reset电压以及器件工作寿命等方面的影响，并对相关机理进行了研究。主要取得了如下的结果：
　　（1）ZnO电阻开关存储器具有单极型电阻开关特性。器件在高阻态的电流传导机制为空间电荷限制电流传导；在低阻态的电流传导机制为欧姆传导。电阻开关特性可以用灯丝模型进行解释。
　　（2）采用Al金属、Cu金属、n型重掺Si这些不同的材料作为ZnO薄膜的下电极，ZnO薄膜电阻存储器都表现出稳定的电阻开关特性。但是不同的上电极对Forming电压、Set电压、Reset电压以及漏电流有明显的影响。n型重掺 Si会在界面处和ZnO薄膜产生势垒，使漏电流变大，操作电压增高。
　　（3）在Al金属、Au金属、Cu金属和Fe金属作为上电极的结构单元中，ZnO薄膜电阻存储器也都表现出稳定的电阻开关特性。当Al金属作为上电极时，ZnO薄膜电阻存储器的电阻开关特性最稳定；当Fe金属作为上电极时，ZnO薄膜电阻存储器的电阻开关特性比较差。
　　（4）在Al/ZnO/Al结构单元中，在300次连续的电阻开关循环后仍能显示出稳定的电阻开关行为，且Set电压和Reset电压较为稳定，两者电压值没有发生重叠现象，高阻态与低阻态的阻值比都大于104，其潜在的数据保存时间大于10年。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2 ZnO的基本特性及其应用

1.3 新型非挥发存储器简介

1.4 电阻式存储器研究进展

1.5 ZnO薄膜的制备工艺

1.6 本课题研究内容及意义

第二章 基于ZnO薄膜电阻存储器的制备及表征

2.1 器件制备

2.2 器件表征

第三章 ZnO薄膜电阻存储器的初步研究

3.1 引言

3.2 实验过程

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 电极对ZnO电阻存储器的影响

4.1 引言

4.2下电极对ZnO薄膜电阻开关特性的影响

4.3 上电极对ZnO薄膜电阻开关特性的影响

4.4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

附 录

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