论文部分内容阅读
随着计算机和信息科技的飞速发展,当代社会对存储器提出了越来越高的要求,非易失性存储器(NVRAM, non-volatile random access memory)受到了广泛的青睐。传统的硅基存储器在物理尺寸和加工工艺方面已经接近极限,近年来各种新型的高速度和高密度的NVRAM得到了迅速发展,如磁阻存储器、相变存储器、铁电存储器和阻变存储器(ReRAM)。其中,阻变存储器具有存储密度高、读写速度快、功耗低、数据记忆时间长、反复操作耐受力强、与CMOS工艺兼容等优点,因此成为这些新型存储器中最有应用前景的器件之一。阻变存储器有着简单的“三明治”结构,上电极为金属,下电极为金属或金属半导体,中间的阻变功能层一般为金属氧化物等绝缘介质。中间阻变功能层材料的选择对器件的性能起着至关重要的作用。有机材料相对无机材料最大优势是价格低廉,成膜简单,易于大面积成膜,而且可以目的性设计分子结构。因此,本实验中选用有机物聚邻甲氧基苯胺(POMA)作为阻变功能层材料,并着力研究基于POMA的阻变存储器的制备和性能。本论文中,首先制备合适的POMA溶液,采用旋涂工艺制备POMA阻变层薄膜,再利用电子束蒸发蒸镀电极,最后成功制备Al/POMA/ITO器件,并对其进行相关性能测试及机理分析；之后成功制备两种氧化石墨烯(GO)增强的POMA基阻变存储器——Al/POMA:GO/ITO和Al/POMA/GO/POMA/ITO器件,对它们的相关性能分别进行了简单的测试,并与Al/POMA/ITO器件的性能对比。本论文的主要研究工作及结果如下：(1) Al/POMA/ITO器件的制备、性能测试及机理分析称取一定量的POMA溶于DMF中配制成1 wt.%浓度的溶液,衬底选用ITO导电玻璃,选择合适的旋涂转速、气氛及退火温度制备阻变层薄膜,最后利用电子束蒸发设备蒸镀一层Al电极,最终制得Al/POMA/ITO阻变存储器。利用AFM对Al/POMA/ITO器件的中间阻变层POMA薄膜进行厚度测试,得出POMA薄膜有着大约50 nm的厚度。之后对器件进行电性能测试,通过J-V曲线可以看出Al/POMA/ITO器件具有稳定的双极阻变特性,有着-1.15 V的置位电压,2.9 V的复位电压,约103的电流开关比。耐久性测试表明在100次循环扫描中,器件的SET和RESET电压始终在一定的范围内波动,而且器件的开关比在100次循环中一直保持103的数值,没有明显的退化。记忆时间测试表明了器件具有超过104 s的数据记忆能力,而且器件的高、低阻态在长达104s的时间内均没有明显的退化,表明了该器件是稳定且非易失的。之后对器件进行了阻变机理的分析。通过对器件典型J-V曲线负偏压端的双对数图进行数据线性拟合,可以看出,器件在低阻态时符合欧姆传导机制,这是细丝传导的一个证据；而高阻态时需要用空间电荷限制电流(SCLC)来解释。之后分别对器件在高、低阻态时电阻和电极尺寸的依赖关系进行了测试。通过分析得出,高阻态时器件的电阻随着电极尺寸的增大而减小；而在低阻态时,器件的电阻不随电极尺寸的变化而变化。这是细丝传导的典型特点。通过这两方面的测试,确定了Al/POMA/ITO器件的阻变机理为细丝传导机制。对于该器件的细丝传导机制,可以用POMA+离子导电细丝来解释。因此,在A1/POMA/ITO器件中观察到的双极阻变特性可以归因于POMA+离子导电细丝的形成和断裂。(2)两种GO增强的POMA基ReRAM的制备及简单性能测试为了改善有机阻变存储器Al/POMA/ITO的稳定性,在器件中加入了GO,制备了Al/POMA:GO/ITO和Al/POMA/GO/POMA/ITO两种ReRAM器件。对Al/POMA:GO/TTO器件进行了I-V测试,该器件同样显示了良好的双极阻变特性。其SET电压为-1.5 V,RESET电压为3.3 V,在0.5 V处读取电流的开关比为103。对该器件进行了连续10次循环扫描的I-V测试,可以看出器件具有稳定的双极阻变特性。其开关比在10次循环扫描中都没有退化,一直保持为103。与Al/POMA/ITO器件连续10次循环扫描的I-V曲线图相比,Al/POMA:GO/ITO器件的SET、RESET电压分布范围明显变小,明显更集中在某一区间内。这表明GO的加入增加了器件的稳定性。对Al/POMA/GO/POMA/ITO器件进行了I-V测试,该器件也同样显示了良好的双极阻变特性。其SET电压为-1.2 V,RESET电压为2.4 V,在0.5 V处读取电流的开关比为102。对器件连续10次循环扫描的I-V测试,可以看出,器件具有稳定的双极阻变特性。在0.5 V处读取电流开关比为102,且在10次循环扫描中都没有退化。与Al/POMA/ITO器件连续10次循环扫描的I-V曲线图相比,Al/POMA/GO/POMA/ITO器件的SET和RESET电压分布范围明显变小,分布更加集中。这表明了GO的加入使器件的稳定性明显变好了。但该器件的开关比变小了,变为102。低阻态时两种器件的电流基本一致,但高阻态时Al/POMA/GO/POMA/ITO器件的电流明显比Al/POMA/ITO器件的大了10倍,这可能是因为GO具有良好的导电性的原因,高阻态电流的增大导致了器件开关比的减小。通过Al/POMA:GO/ITO器件和Al/POMA/GO/POMA/ITO器件与Al/POMA/ITO器件的分析对比,可以看出,GO的加入明显减小了SET和RESET电压的波动范围,使它们的分布更加集中,表明GO的加入改善了Al/POMA/ITO器件的稳定性。