基于聚鄰甲氧基苯胺阻變存儲器的性能調(diào)控與機理分析.pdf

1、隨著人們對高速、便捷、可靠電子產(chǎn)品需求的不斷增加，阻變存儲器(RRAM，resistive random access memories)以其特有的優(yōu)勢成為下一代新型非易失性存儲器潛力無限的候選者之一。然而RRAM器件中電形成(Electroforming/Forming，EF)及阻變(Resistive Switching，RS)過程背后的物理機制至今仍撲朔迷離。過去幾十年里，非易失性存儲器的功能材料被大量研究，但主要集中在無機材料。

2、值得注意的是，近年來有機或聚合物材料憑借其低成本、高柔韌性、簡單的單元結(jié)構(gòu)及制作工藝等優(yōu)點獲得了廣泛的矚目，深受廣大研究者的青睞。
　　本論文基于我們前期的工作，深入研究了基于聚鄰甲氧基苯胺(POMA，poly(o-methoxyaniline))的有機RRAM器件。首先是優(yōu)化了Al/POMA/ITO器件的制備工藝，提高了器件的成品率;在此基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化了器件測試的手段，引導(dǎo)并保護器件的電形成過程，以得到后續(xù)穩(wěn)定的阻變行為。接著研

3、究了不同因素對阻變特性的影響，嘗試從多角度更好的去調(diào)控POMA基RRAM的性能，并為器件存儲機理的分析提供幫助。最后根據(jù)不同電極器件I-V特性曲線的線性擬合結(jié)果，初步提出器件的存儲機理可能是導(dǎo)電細(xì)絲機制;采用導(dǎo)電AFM測試成功觀察到導(dǎo)電細(xì)絲的形成和斷裂，有力地確認(rèn)了POMA+陽離子導(dǎo)電細(xì)絲機理;論文的最后通過對阻變性能退化機制的分析進(jìn)一步為此存儲機理提供了驗證。具體的研究工作及結(jié)果如下。
　　(1) POMA基RRAM器件制備工藝

4、的優(yōu)化
　　在ITO導(dǎo)電玻璃上旋涂POMA薄膜，在薄膜上蒸鍍圖案化的金屬頂電極;或者在SiO2/Si襯底上蒸鍍一層金屬底電極，接著旋涂POMA薄膜和蒸鍍圖案化的金屬頂電極，就制備成了“三明治”結(jié)構(gòu)的POMA基RRAM器件。
　　通過引入DECON90清洗液優(yōu)化了襯底的清洗工藝，保證了高標(biāo)準(zhǔn)的清洗。通過確保器件的制備及測試盡量在超凈間進(jìn)行，保證了器件單元結(jié)構(gòu)的整潔性。通過采用更適合在聚合物上蒸鍍電極的熱蒸發(fā)方式，保證了金屬頂電

5、極(Al、Au、Ag等)成膜質(zhì)量的同時，也保證了阻變功能層POMA的性能不受影響。
　　(2)探討各種因素對阻變特性的影響
　　采用電子束蒸發(fā)和熱蒸發(fā)蒸鍍金屬頂電極，得到相同結(jié)構(gòu)的Al/POMA/ITO器件，我們發(fā)現(xiàn)電子束蒸發(fā)制備的器件在測試中經(jīng)常變黑，電極質(zhì)量不好，這使得器件的Forming行為“若隱若現(xiàn)”，SET電壓等參數(shù)也有待改善。而熱蒸發(fā)制備的器件在測試過程中電極很少有變黑的現(xiàn)象，不僅成品率更高，綜合性能也得到大幅提

6、升。
　　在旋涂法制備POMA薄膜的過程中，通過改變有機溶劑及旋涂的層數(shù)等得到不同厚度的POMA薄膜，但最終發(fā)現(xiàn)不同膜厚的Al/POMA/ITO器件表現(xiàn)出一致的Forming行為和雙極特性曲線，因此POMA膜厚對器件的性能并無顯著的影響。
　　然后我們構(gòu)建了多種電極體系器件，成功制備了無頂電極的POMA/ITO(1)，Al/POMA/ITO(2), Au/POMA/ITO(3), Ag/POMA/ITO(4), Al/POM

7、A/Al/SiO2/Si(5),Al/POMA/Au/Ti/SiO2/Si(6)和Al/POMA/PEDOT∶PSS/ITO(7)器件。發(fā)現(xiàn)不同的器件盡管有著各自獨特的阻變性能，但唯一不變的是阻變的類型都是雙極性的，我們相信這必然與阻變功能層POMA有關(guān)。其中無頂電極器件（器件1）和Al頂電極器件（器件2）表現(xiàn)出一致的正向電壓Forming、負(fù)向SET和正向RESET的順時針方向的雙極阻變特性，Au頂電極器件（器件3）表現(xiàn)出Formin

8、g-free的逆時針方向的雙極阻變特性，Ag頂電極器件（器件4）和PEDOT∶PSS/ITO底電極器件（器件7）則表現(xiàn)出Forming-free的對稱特性的雙極阻變特性，即既可以是順時針的也可以是逆時針的，這取決于首次電壓掃描的方向。而Al電極對稱器件（器件5）和Au底電極器件（器件6）由于另外蒸鍍了底電極，難以保證旋涂的POMA薄膜的質(zhì)量，因此器件的性能不是很穩(wěn)定，都需要很小的限制電流來保護。其中Al電極對稱器件在觀測到一至兩次對稱的

9、雙極阻變特性后就變得極不穩(wěn)定，最終停留在高阻態(tài)。Au底電極器件在1mA限制電流的保護下，出現(xiàn)較穩(wěn)定的逆時針方向的雙極阻變特性。隨后底電極Au的擴散使得器件很容易被擊穿。
　　(3) POMA基RRAM器件存儲機理的研究
　　首先我們對性能優(yōu)異的五種不同電極器件的I-V特性曲線進(jìn)行了線性擬合來初步分析器件的阻變機理。各種器件的擬合結(jié)果都不相同:Al項電極器件（器件2）和無電極器件（器件1）的阻變行為與肖特基發(fā)射模型吻合的很好;

10、Au頂電極器件（器件3）在SET前的低電壓區(qū)域符合P-F發(fā)射模型，在較高電壓區(qū)域符合肖特基發(fā)射模型;Ag頂電極器件（器件4）和PEDOT∶PSS/ITO底電極器件（器件7）在SET前符合SCLC模型。這五種器件的擬合結(jié)果初步表明器件在高、低阻態(tài)間的轉(zhuǎn)變應(yīng)該歸因于POMA薄膜內(nèi)部發(fā)生的導(dǎo)電細(xì)絲機理。
　　然后對無頂電極的POMA/ITO器件（器件1）進(jìn)行了導(dǎo)電AFM測試，發(fā)現(xiàn)器件在高、低阻態(tài)間的轉(zhuǎn)變對應(yīng)觀察到的帶狀分布的電流尖峰的形