基于聚鄰甲氧基苯胺(POMA)的阻變存儲器的制備和性能研究.pdf

1、隨著計算機和信息科技的飛速發(fā)展，當代社會對存儲器提出了越來越高的要求，非易失性存儲器(NVRAM, non-volatile random access memory)受到了廣泛的青睞。傳統(tǒng)的硅基存儲器在物理尺寸和加工工藝方面已經(jīng)接近極限，近年來各種新型的高速度和高密度的NVRAM得到了迅速發(fā)展，如磁阻存儲器、相變存儲器、鐵電存儲器和阻變存儲器(ReRAM)。其中，阻變存儲器具有存儲密度高、讀寫速度快、功耗低、數(shù)據(jù)記憶時間長、反復(fù)操作耐

2、受力強、與CMOS工藝兼容等優(yōu)點，因此成為這些新型存儲器中最有應(yīng)用前景的器件之一。
　　阻變存儲器有著簡單的“三明治”結(jié)構(gòu)，上電極為金屬，下電極為金屬或金屬半導(dǎo)體，中間的阻變功能層一般為金屬氧化物等絕緣介質(zhì)。中間阻變功能層材料的選擇對器件的性能起著至關(guān)重要的作用。有機材料相對無機材料最大優(yōu)勢是價格低廉，成膜簡單，易于大面積成膜，而且可以目的性設(shè)計分子結(jié)構(gòu)。因此，本實驗中選用有機物聚鄰甲氧基苯胺(POMA)作為阻變功能層材料，并著力

3、研究基于POMA的阻變存儲器的制備和性能。
　　本論文中，首先制備合適的POMA溶液，采用旋涂工藝制備POMA阻變層薄膜，再利用電子束蒸發(fā)蒸鍍電極，最后成功制備Al/POMA/ITO器件，并對其進行相關(guān)性能測試及機理分析;之后成功制備兩種氧化石墨烯(GO)增強的POMA基阻變存儲器——Al/POMA∶GO/ITO和Al/POMA/GO/POMA/ITO器件，對它們的相關(guān)性能分別進行了簡單的測試，并與Al/POMA/ITO器件的性能

4、對比。本論文的主要研究工作及結(jié)果如下:
　　(1)Al/POMA/ITO器件的制備、性能測試及機理分析稱取一定量的POMA溶于DMF中配制成1wt.％濃度的溶液，襯底選用ITO導(dǎo)電玻璃，選擇合適的旋涂轉(zhuǎn)速、氣氛及退火溫度制備阻變層薄膜，最后利用電子束蒸發(fā)設(shè)備蒸鍍一層Al電極，最終制得Al/POMA/ITO阻變存儲器。
　　利用AFM對Al/POMA/ITO器件的中間阻變層POMA薄膜進行厚度測試，得出POMA薄膜有著大約50

5、 nm的厚度。之后對器件進行電性能測試，通過J-V曲線可以看出Al/POMA/ITO器件具有穩(wěn)定的雙極阻變特性，有著-1.15V的置位電壓，2.9V的復(fù)位電壓，約103的電流開關(guān)比。耐久性測試表明在100次循環(huán)掃描中，器件的SET和RESET電壓始終在一定的范圍內(nèi)波動，而且器件的開關(guān)比在100次循環(huán)中一直保持103的數(shù)值，沒有明顯的退化。記憶時間測試表明了器件具有超過104s的數(shù)據(jù)記憶能力，而且器件的高、低阻態(tài)在長達104s的時間內(nèi)均沒

6、有明顯的退化，表明了該器件是穩(wěn)定且非易失的。
　　之后對器件進行了阻變機理的分析。通過對器件典型J-V曲線負偏壓端的雙對數(shù)圖進行數(shù)據(jù)線性擬合，可以看出，器件在低阻態(tài)時符合歐姆傳導(dǎo)機制，這是細絲傳導(dǎo)的一個證據(jù);而高阻態(tài)時需要用空間電荷限制電流(SCLC)來解釋。之后分別對器件在高、低阻態(tài)時電阻和電極尺寸的依賴關(guān)系進行了測試。通過分析得出，高阻態(tài)時器件的電阻隨著電極尺寸的增大而減小;而在低阻態(tài)時，器件的電阻不隨電極尺寸的變化而變化。這

7、是細絲傳導(dǎo)的典型特點。通過這兩方面的測試，確定了Al/POMA/ITO器件的阻變機理為細絲傳導(dǎo)機制。對于該器件的細絲傳導(dǎo)機制，可以用POMA+離子導(dǎo)電細絲來解釋。因此，在Al/POMA/ITO器件中觀察到的雙極阻變特性可以歸因于POMA+離子導(dǎo)電細絲的形成和斷裂。
　　(2)兩種GO增強的POMA基ReRAM的制備及簡單性能測試為了改善有機阻變存儲器Al/POMA/ITO的穩(wěn)定性，在器件中加入了GO，制備了Al/POMA∶GO/I

8、TO和Al/POMA/GO/POMA/ITO兩種ReRAM器件。
　　對Al/POMA∶GO/ITO器件進行了I-V測試，該器件同樣顯示了良好的雙極阻變特性。其SET電壓為-1.5V，RESET電壓為3.3V，在0.5V處讀取電流的開關(guān)比為103。對該器件進行了連續(xù)10次循環(huán)掃描的I-V測試，可以看出器件具有穩(wěn)定的雙極阻變特性。其開關(guān)比在10次循環(huán)掃描中都沒有退化，一直保持為103。與Al/POMA/ITO器件連續(xù)10次循環(huán)掃描的

9、I-V曲線圖相比，Al/POMA∶GO/ITO器件的SET、RESET電壓分布范圍明顯變小，明顯更集中在某一區(qū)間內(nèi)。這表明GO的加入增加了器件的穩(wěn)定性。
　　對Al/POMA/GO/POMA/ITO器件進行了I-V測試，該器件也同樣顯示了良好的雙極阻變特性。其SET電壓為-1.2V，RESET電壓為2.4V，在0.5V處讀取電流的開關(guān)比為102。對器件連續(xù)10次循環(huán)掃描的I-V測試，可以看出，器件具有穩(wěn)定的雙極阻變特性。在0.5V

10、處讀取電流開關(guān)比為102，且在10次循環(huán)掃描中都沒有退化。與Al/POMA/ITO器件連續(xù)10次循環(huán)掃描的I-V曲線圖相比，Al/POMA/GO/POMA/ITO器件的SET和RESET電壓分布范圍明顯變小，分布更加集中。這表明了GO的加入使器件的穩(wěn)定性明顯變好了。但該器件的開關(guān)比變小了，變?yōu)?02。低阻態(tài)時兩種器件的電流基本一致，但高阻態(tài)時Al/POMA/GO/POMA/ITO器件的電流明顯比Al/POMA/ITO器件的大了10倍，這