钛酸锶薄膜的阻变性能研究

论文摘要

非挥发性存储器（NVM）应该具有以下特性,如高密度、低成本、快速的读、写访问、低功耗、高耐疲劳性和长的保持性。硅基闪存（Flash）器件由于高密度和低制备成本,成为目前性能最为优良的非易失存储器,然而闪存却具有很低的耐疲劳性和读写速度以及高的读取电压。铁电存储器和磁阻存储器仅用于少量特殊领域,属于利基型存储器。主要是因为铁电存储器和传统的磁阻存储器在器件可微缩性方面表现欠佳,根本无法达到目前Flash水平的存储密度。为了解决现有非挥发性存储器所面临的问题,人们提出并探讨了许多替代技术概念。其中,基于电致阻值反转的非挥发存储器备受关注,这一类存储器通常总称为阻变存储器（resistance switching random access memory）,简写作RRAM。钙钛矿金属氧化物,由于A、B容易被其他原子取代后,改善薄膜的性质,引起了科学家极大的研究兴趣。本文中,我们主要研究SrTiO3薄膜及对其La、V掺杂的电阻开关特性。在论文的第一章介绍了近几年来阻变存储器的研究进展,及阻变机制与电流机制。并在章节最后说明了本论文的选题依据。在第二章介绍了溶胶-凝胶（sol-gel）法制备薄膜的原理和实验器材、流程,并详细讨论了配制前驱液过程中的影响因素和注意事项,得出最佳的实验方案。第三章我们利用溶胶-凝胶（sol-gel）法结合高温退火的方法在Pt/Ti/SiO2/Si基底上制备了钛酸锶薄膜。我们利用原子力显微镜（AFM）,X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）等分析手段分别对其表面形貌、薄膜厚度和微观结构进行了表征。电学性质用吉士利4200测量。设置低的限制电流（Icc）,产生双极开关行为,增大限制电流到0.1 mA,实现软击穿,出现单极开关行为。双极转换行为机制可能是介面效应,而单极转换机制为体效应,可以解释为导电细丝理论。双极漏电流机制主要是肖特基机制,而单极低阻态漏电流为欧姆传导,高阻态则为空间限制电流效应（SCLC）。第四章我们采用溶胶凝胶法（sol-gel）在Pt/Ti/SiO2/Si基片上分别制备出La3+和V5+掺杂钛酸锶薄膜。Sr0.99La0.01TiO3在低电压和低限制电流表现出双极开关性质,高电压和高限制电流下表现出了单极开关性质,而且可以实现单双极的相互转换。SrTi0.99V0.01O3在低电压下双极行为的高低阻比值可达4个数量级,远高于未掺杂的薄膜。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 不同的电阻转变及存储单元
• 1.2.1 不同的电阻转变与测量方式
• 1.2.2 RRAM 的存储单元
• 1.3 RRAM 材料与研究进展
• 1.3.1 过渡金属单元氧化物
• 1.3.2 钙钛矿金属氧化物
• 1.3.3 有机化合物
• 1.4 电阻转换机制
• 1.4.1 导电细丝理论
• 1.4.2 肖特基势垒理论
• 1.4.3 缺陷能级的电荷俘获和释放理论
• 1.4.4 导电畴隧穿模型
• 1.5 漏电流机制
• 1.5.1 界面限制漏电流机制
• 1.5.2 体限制漏电流机制
• 1.6 本论文的选题及思路
• 3 薄膜'>第2章 溶胶凝胶法制备SrTiO₃薄膜
• 2.1 引言
• 2.2 Sol-gel 法基本原理
• 2.3 Sol-gel 法制膜所需设备与实验材料
• 2.3.1 所需实验设备
• 2.3.2 实验材料
• 3 前驱液的配置'>2.4 SrTiO₃前驱液的配置
• 2.4.1 前驱体溶液的化学配比计算方法
• 3 前驱液配置流程'>2.4.2 SrTiO₃前驱液配置流程
• 2.5 薄膜制备的工艺流程
• 3 薄膜的性能表征及阻变性质研究'>第3章 SrTiO₃薄膜的性能表征及阻变性质研究
• 3 薄膜的X 射线衍射分析'>3.1 SrTiO₃ 薄膜的X 射线衍射分析
• 3 薄膜AFM 和SEM 形貌分析'>3.2 SrTiO₃ 薄膜AFM 和SEM 形貌分析
• 3 薄膜电学性能测试'>3.3 SrTiO₃薄膜电学性能测试
• 3.3.1 阻变存储器结构的选择
• 3.3.2 I-V 电学性质测量
• 3.4 小结
• 3 薄膜的阻变性质研究'>第4章 掺杂的SrTiO₃薄膜的阻变性质研究
• 3 的阻变性质研究'>4.1 掺La 的SrTiO₃的阻变性质研究
• 3 前驱体溶液配置及其XRD 图'>4.1.1 掺杂La-SrTiO₃ 前驱体溶液配置及其XRD 图
• 3 的电学性质的测量'>4.1.2 La-SrTiO₃的电学性质的测量
• 3 的阻变性质的机制分析'>4.1.3 La-SrTiO₃的阻变性质的机制分析
• 4.1.4 Unipolar→Bipolar 机制分析
• 3 的阻变性质研究'>4.2 掺V 的SrTiO₃的阻变性质研究
• 3 前驱体溶液配置及其XRD 图'>4.2.1 掺杂V-SrTiO₃ 前驱体溶液配置及其XRD 图
• 3 的电学性质的测量'>4.2.2 V-SrTiO₃的电学性质的测量
• 3 的阻变性质的机制分析'>4.2.3 V-SrTiO₃的阻变性质的机制分析
• 4.3 小结
• 第5章 工作总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文目录