NiO_Li薄膜的阻变特性研究

I 摘 要 近些年来，阻变式随机存储器被认为是下一代非挥发性存储器，从而引起了人们的广泛关注。阻变式随机存储器因其结构简单，转变速度快，低功耗，密度高 ,低成本等方面的特点备受关注。 膜是一种 P 型半导体材料，广泛应用于各种不同的领域，包括电致变色，传感器，光电探测器，染料太阳能电池等多个领域。同时， 阻变式随机存储器研究材料中最重要的一种，它已经成为了人们研究的热点。 在本论文中，我们利用脉冲激光沉积技术制备了 i 薄膜，并研究了不同衬底温度及氧气分压对薄膜的影响，并以此为依据，构造了 i/层结构的阻变式随机存储器。其研究内容如下：通过调节衬底温度和氧气分压成功制备了 i 薄膜；制备得到的存储器件开关电压分别为 关电阻分别为 200 15关转变速度分别为 200 1s；其导电机制主要是 电类型，其电阻转变机制符合导电通道模型。 关键词 ： i; 阻变式随机存储器；脉冲激光沉积；导电通道；金属 金属； is is as is be on so so In is of is a in In i LD of of on we t/i/Pt i 2005200in be be to i; 录 中文摘要 . I 英文摘要 . 录 . 言 .一章 绪论 2 变式随机存储器研究介绍 .膜材料及 膜材料阻变式随机存储器研究现状 .论文研究目的及科学意义 .二章 i 薄膜 备及物性研究 .i 薄膜的制备 .i 靶材的制备 . 衬底的选择及其薄膜生长的过程 .长参数对 i 薄膜结构和晶体质量的影响 . 衬底温度 . 生长气氛和气体分压 .长参数对 i 薄膜电学性质的影响 . 衬底温度的影响 .长气氛和气体分压的影响 .章小结 .三章 i 薄膜阻变特性研究 .i 薄膜的形貌及光学性质表征 .于 i/i 结构的阻变特性研究 .章小结： .四章 结论 .考文献 .谢 .东北师范大学硕士学位论文 1 引 言 近十几年来，随着信息化时代的到来，人们对于电子产品的规格要求越来越高。存储器是电子产业的核心技术，作为计算机中的记忆部分，用来存放数据及程序，一直以来都是电子产品及器件研究热点。在电子器件领域，存在着摩尔定律，即信息存储技术会每隔 18 个月性能将会提升一倍，这一定程度揭示信息技术的进步速度。目前而言，产业化的存储器主要分成普通存储器（外存）及随机存储器（内存） 。普通存储器主要应用于数据存储及转移，存储及读取速度相对于随机存储器要慢一些，其存储数据可以长时间保存，通常是磁性介质及光盘存储。相对于普通存储器，随机存储器拥有更快的存储速度（可以达到 级） ，它的信息可以随意的取出或者存入， 所以随机存储器的主要应用是计算机系统的内存，随机存储器的研究进展直接决定着计算机时代的发展。然而，目前的随机存储器仍然存在着不可避免的缺点，即它存储的信息只能在加电的情况下保存，断电后会清除存储的信息。这样必然会造成一些不必要的麻烦，例如，意外断电造成的信息丢失。为了改善这一问题，人们不断寻找速度快，非挥发性的随机存储器用于内存。目前，产业化的非挥发性存储器中性能最好的是闪存，其存储信息可以长时间保持，然而其存储及读取速度仍然在微秒的量级，虽然相对于其他的非挥发性存储器有了很好的提高，但仍不满足替代内存的要求。 自 2000 年以后，科学家发现了一种有潜力替代内存的新型随机存储器的存储器 阻变式随机存储器。从科学家的实验现象观测，预计其存储单元大小可以达到 10右，存储时间达到 10 年以上，存储转变速度可以达到几十纳秒，这些性质完全满足目前内存的需要。除此之外，其制备方式简单，与传统工艺兼容性好，非破坏性读取等优点同样具有一定的优势。阻变式存储器这些结果发现后 ,人们就一直认为它有望成为下一代产品，从而对其进行了广泛的研究及发展。 东北师范大学硕士学位论文 2 第一章 绪论 变式随机存储器研究介绍 ： 阻变式随机存储器的研究开始于 2000 年，科学家发现氧化物薄膜中存在电脉冲诱导可逆的电阻变化效应，初步发现了它适合做存储器的性质。 2002 年，夏普公司第一次在国际电子器件会议中提出了利用 膜材料制备的阻变式存储器存储器（ 。之后，阻变式随机存储器的发展开始成为新一代非挥发性存储器的研究热点， 不断有一些新的技术及材料得到了深入发展。 阻变式随机存储器的工作原理是在电 场的作用下实现材料的高阻值状态（关）及低阻值状态（开）之间的转变1。这种电阻的开关效应可以实现数字信号 “1”和 “0”的相互转变，进而应用于存储器。其结构为金属 绝缘层 金属（ 层结构。阻变式随机存储器按材料分主要分成以下几类：钙钛矿材料2，过渡金属氧化物材料3有机物材料12。其中，就目前而言，过渡金属氧化物的研究是其中研究最广泛的一种。目前，虽然阻变式存储器的机制仍然说法不一，但其中几种机制得到了认同：导电通道理论13原子迁移理论16， 17，其中不同的材料中可能形成的通道或者原子不同，但基本原理相同。从文献中得知，阻变式开关效应按照施加电压的极性可以分成两种：单极性转变和双极性转变。 图 1极性阻变转换示意图1东北师范大学硕士学位论文 3 如图 1示，单极性电阻转变指的是存储器的开与关状态之间的相互转化所施加的扫描电压极性是相同的。 在第一次电压扫描中， 往往会存在一个 程，同时需要设定限制电流用于保护存储器不被电压硬击穿。而在 程中，会实现电流的急剧增大，即电阻值会从高阻值状态（关）转变成低阻值状态（开） （ 程） 。在接下来的测试中，保持同样地电压极性，电流值会从某一电压下实现 “开 ”状态向 “关 ”状态的转变（ 程） 。单极性电阻转变效应多出现于过渡金属氧化物材料，在多种机制中，导电通道理论更合理的解释了单极性转变效应。 图 1极性导电通道阻变模型 ,13 如图 1示， 单极性电阻中， 离子在电场作用下氧离子迁移导致通道形成，在焦耳热的作用下导致通道烧断。在金属氧化物中，氧离子可以在电场的作用下沿着晶界迁移，进而造成缺氧的状态，比如氧缺陷。而大量的氧缺陷的堆积，造成富金属态的出现，进而实现高阻向低阻的转变。在低阻向高阻的转变过程中，焦耳热成为主要原因。在低阻情况下，高的电流引起大量的焦耳热产生，在其作用下，氧缺陷将会被重新氧化。也就是氧离子在焦耳热的作用下与氧缺陷重新复合。所以，在单极性存储器中，扫描电压不需要极性的变化就可以实现开和关状态的相互转变。 东北师范大学硕士学位论文 4 图 1极性阻变转换示意图1 而在双极性存储器中，存在着许多与单极性存储器不同的地方，如图 1示。其一，在器件状态由 “开 ”转变成 “关 ”状态时，扫描电压的极性必须与之前的极性相反。其二，限制电流在双极性存储器中不是必需的，也就是说，硬击穿现象一般很少出现。其三，在机制讨论方面也存在不同。在钙钛矿材料及过渡金属氧化物材料中，尽管唯象的导电通道理论仍然适用，但其本质不同，尤其在 程中。相对于单极性的焦耳热促进氧离子与氧缺陷的复合，双极性存储器中更注重相反极性电场促进的氧离子与氧缺陷的重新复合。13 图 1极性阻变导电通道模型13 东北师范大学硕士学位论文 5 如图 1示，在 程中氧离子可以再电场的作用下重新迁移回原来的位置，进而使电阻状态恢复成高阻状态。而在一些采取化学性质活泼金属（）的双极性存储器中，则是另一种机制，即原子迁移理论或者阳离子迁移。 图 1极性阳离子迁移模型16 如图 1示，在这种器件中，阳极附近会发生氧化反应，将电极材料氧化成容易迁移的阳离子 （ 者 ， 阳离子可以在电场的作用下迁移至阴极。在阴极附近，还原反应将会发生，将阳离子（ 者 还原成金属原子。不断的氧化还原反应导致在阴极的金属原子逐渐堆积的越来越多， 最终导致形成金属通道，从而高阻态向低阻态发生转变。16膜材料及 膜材料阻变式随机存储器研究现状 膜材料是一种 P 型半导体材料，可以通过很多不同的方法制备。例如磁控溅射，脉冲激光沉积，溶胶凝胶法（ ，拉膜法，旋涂方法等。 括电致变色，阻变式存储器，传感器，探测器，燃料太阳能电池，异质结光电器件等。18阻变式随机存储器众多的研究材料 及研究机制中，我们的工作集中于i 材料的单极性随机存储器。正如前文 所言，过渡金属氧化物材料是阻变式随机存储器材料中很重要的一种。 很多种的材料都可以作用器件中的绝缘层部分，如 3中 最早被研究的对象之一，人们普遍认为其具有很大的潜力应用于阻变式随机存储器，相应的，有很多的文献均有此类报道。 东北师范大学硕士学位论文 6 25等人在 2004 年利用多晶的 膜制备了阻变式随机存储器件，并对其性质进行了初步研究。其中包括，通过调节不同沉积环境得到不同氧含量的薄膜， 进而发现了不同的阻变现象， 进而揭示了阻变效应与氧元素存在的关系。进一步，他们还测试了不同限制电流下开启状态的变化。在他们的结论中，稳定的阻变转换现象可以实现，并且提出 陷及氧含量对于机制的重要性。 2007年， 6等人在研究中发现，多晶 件在变温测试中存在着依赖性。进而对其性质进行了深一步的探究。他们揭示了高阻状态下是微弱的金属型导电和跳跃式导电复合的情况。并且，他们提出金属镍缺陷存在于晶界附近，对于金属通道的形成起着重要的作用。 2008 年， 7等人在 t 结构的器件中发现随着底电极材料的厚度的增加，阻变性质会从 “质向 “生转变。也就是从非挥发性存储向挥发性存储发生了转变。再次，他们认为底电极对于焦耳热量的散失有着决定性作用。在小于 30底电极器件中，会减少热量的散失，从而导致器件存储在于一种高温不稳定的状态。相反，当底电极大于 50实现稳定的存储现象。在这篇文献中，揭示出热量的散失对随机存储器有着关键的影响。K. 8等人在同一年的研究中，得到器件中存在的影响很大的寄生电容，降低寄生电容会极大的降低 流，从而使低功率器件的实现成为了可能。 图 1生电容对 流的影响 , 利用半导体参数测量仪和串联电阻实现限制电流。 图 使用晶体管控制限制电流。28如图 1示，采用串联电阻或者半导体参数测量仪控制限制电流会产生很大的寄生电容，而采用晶体管去调控限制电流会大大降低寄生电容，从而恢复东北师范大学硕士学位论文 7 在 2009 年， 膜阻变随机存储器有了更大的进展。三星公司29在研究工作中利用截面透射电镜直接观测到了 属通道的存在，如图 1示。用测到了微小的导电通道。 进而确定了金属导电通道理论的正确性。 此外，他们得到了器件稳定性有了很大的提高，尤其转变速度可以达到 10 图 1膜截面投射电镜照片29图 1膜中， 观测到的明显的晶界并表明晶界主要是 缺陷。 2010年 0等人实现了单晶 阻变存储现象。表明电阻开关效应不仅仅存在于多晶或者非晶薄膜中，在单晶的纳米线中，这种现象仍然可以实现，如图 1示。 这个工作促进了 变式存储器的进一步发展。 在随后， 1等人采用简单的 板制备了 米阵列， 更容易的得到纳米结构的阻变式存储器。 图 1晶 变存储器结构图及电学性质图30 东北师范大学硕士学位论文 8 在存储器结构改进的同时，同样需要对其阻变性能地提高做大量的研究。在许多的研究工作中，高低阻状态及转变电压的不稳定一直是难以克服的缺陷。有的文献报道，这种存储器参数的分散性是由于导电通道形成的随机性所引起。最有效的方式是尽量的降低其随机性， 所以由此一些掺杂薄膜的方式降低阻变分散性的工作成为了研究热点。32,33其中， 4等将 杂进 膜并得到了相对稳定的阻变式存储器。他们认为 掺入导致其高阻状态的热稳定性增加，进而提高了器件的开关比值及保持性质。如图 1示。 杂能够明显改善存储器的稳定性及保持性质。 图 1i 及 变式存储器电流稳定性比较 34东北师范大学硕士学位论文 9 论文研究目的及科学意义 料存在着很多优势，尤其是电致变色的特性，应用于阻变式存储器，传感器，探测器，燃料太阳能电池，异质结光电器件等多个领域。相比其他非挥发存储器， 其低操作电压、低功耗、高写入速度、耐擦写、非破坏性读取、保持时间长、结构简单、与传统 补金属氧化物半导体 )工艺相兼容等优点而被广泛研究。鉴于以上优点，通过选择合适的工作材料，优化器件结构，实现 件的发展，必然会给国民经济和生活带来巨大的改变。 自从 膜的电阻开关效应被报道以来，人们在这种材料的阻变特性研究上进行了大量的工作。研究包括机制方面，器件性能方面，甚至器件的结构纳米化方面。在众多材料中， 被研究最深入的几种材料之一，具有着很大的研究潜力和应用潜力。因此，我们有必要对其阻变存储器性质进行系统研究并探究其机制。 本文采用脉冲激光沉积方法生长 i 薄膜，并对其基本结构及电学性质进行表征， 进而优化生长条件。 进一步的对其阻变特性进行研究， 包括转变速度，高低阻状态，开关电压，保持时间等等。并且在研究性质的同时，对其理论机制进行了分析和研究。 东北师范大学硕士学位论文 10 第二章 i 薄膜 备及物性研究 导体材料其优越的电学性质，较为稳定的晶体结构，在近些年来被众多研究人员关注。面心立方的岩盐矿结构，使其具有良好的晶格稳定性。不同的制备生长 料的方法，导致了晶体结构中会出现大量的 位，通过适当的替位掺杂，可以实现较稳定的 p 型掺杂的半导体材料，更有利于提供光电子器件中 p 型空穴注入层，在与其他材料形成的异质结中，提高光发射效率。因此，研究在某一生长工艺下，受主掺杂获得的 p 型 料的稳定性将制约和影响其在异质结等光发射器件中的效率。而且，最近出现的一种被称作忆阻器的阻变式随机存储器件，在 研究中已经展开， 认为在阻变式随机存储器件中的优良材料，已经被许多研究者认可。因此，研究 子掺杂对 体结构，电学性质和获得的 p 型掺杂材料的稳定性在对 料的发展过程中，特别是在阻变式随机存储器件中的应用具有重要意义。本章主要介绍了利用 生长的 i 薄膜的结构和光电性质进行了研究，得到了较为稳定的p 型 i 薄膜，为进一步地应用奠定了基础。 i 薄膜的制备 随着社会的发展和科技的进步，影响薄膜器件性能的根本因素即为薄膜质量。近些年来，人们在探索新型薄膜制备工艺和技术手段的同时，也创造出了几种生长薄膜质量较高，性质比较稳定的生长技术，包括了分子束外延，金属有机化学气相沉积，磁控溅射法等。激光技术的快速发展激发了人们的奇思妙想，进而发明了高功率脉冲激光技术， 延伸成为一种性的生长薄膜的技术 脉冲激光沉积（ 。主要的原理是：当高功率的脉冲激光轰击靶材，致使靶材熔蚀产生等离子体羽辉，沉积形成的薄膜制备技术。整个设备基于很多优点，包括了同组分沉积，等离子体沉积，成膜均匀性好，适用于生长各种金属，半导体，陶瓷等材料， 使用范围广泛， 效率高。 但由于等离子体羽辉产生时受到很强的局限性，对于大面积，集成化的生产是不能实现的，另外生长过程中会出现不规则大小的颗粒状物质产生，影响薄膜的质量。综合考虑结合实验室的特点，我们选择 i 薄膜。 本论文选用的设备主要分为两个部分，激光器和真空生长系统。激光器主要选用 长为 355激光器，不但体积较小，而且无毒无害，使用方东北师范大学硕士学位论文 11 便。 产生 355冲激光的过程是发出的 1064光经过 2 倍频和 3 倍频晶体之后，滤掉 532 1064，产生的 355光轰击靶材表面。真空系统类似于大多数真空设备，分为准备 室和生长室，极限真空度为 10用的热器可控制生长温度至 1200，多个靶位方便于生长不同的物质，而其配有的射频源和高能电子衍射更有利于气体电离及原位的监控生长， 其整体的外观如图所示。其生长参数的选择上可以改变衬底温度，气体气氛和分压，激光功率密度，沉积生长时间等许多条件，不同条件制备的薄膜对于不同材料来说展示不同的优缺点，所以生长参数的选择对薄膜质量的影响很大，我们将在后面的章节进行详细的讨论。 图 2实验用脉冲激光沉积设备图 i 靶材的制备 本论文选择高纯的 和 粉末作为原材料，按照5 杂浓度，将其放在玛瑙的研钵中，充分研磨混合均匀，将研磨好的粉末装入圆柱形模具，利用压片机在 15静压力下将粉末定型，静置片刻，取出。然后直接转移至坩埚内，在上面覆盖保护粉末，盖好坩埚后放置在高温炉中， 1200煅烧 8 个小时，缓慢降至室温取出，得到了陶瓷化的 i 靶材。 东北师范大学硕士学位论文 12 图 2纯 护粉末及陶瓷靶材的 X 射线衍射图 为了表征煅烧后得到的陶瓷化靶材的结构， 对样品进行了 测试，图 2分别展示了纯的 末， i 陶瓷靶及其在烧结过程中的保护粉末的 谱，从图中可以看出高纯 末的五个特征衍射峰，取向从小角度依次为（ 111） ， （ 200） ， （ 220） ， （ 311）和（ 222） ，通过对比标准 现我们测试得到的衍射峰均为 特征 射峰，并且在对衍射峰求积分强度之后，发现在最大值一半处的半宽度为 左右，从而证明了作为原材料的 纯粉末的晶体取向性高，质量较好。接下来，又对保护粉末进行了测试，同样发现了五个 特征 射峰，但峰的位置整体向大角度偏移约 ，这可能是由于烧结过程中，保护粉末中的 入到了格中，而 离子半径比 ，在发生 代 过程后，晶格会发生收缩，使得晶面间距会变小，根据布拉格衍射公式 = ，其中 d 为晶面间距， 为衍射角， k 为衍射级， 为 X 射线源的波长，经分析知道，当晶面间距变小时，衍射角会变大，所以保护粉末的 射峰相比于纯的 向大角度方向移动。但是由于在煅烧过程中 子可能会反蒸发，所以峰位的移动很小。而在对陶瓷靶进行测试之后发现，约 的偏移证明了 实进入了晶格中，并且因为保护粉末的作用，使得 反蒸发受到抑制，故有较大的衍射角偏移。 底的选择及其薄膜生长的过程 生长衬底的选择可以有很多种，根据需要，我们选择在双面抛光的 13 衬底和 底。主要考虑的原因是选用的蓝宝石衬底无需清洗，晶体取向单一，对紫外可见近红外光谱区几乎全透过 ,而 底作为目前较好的半导体之一，具有固定晶体取向， p 型和 n 型掺杂均可实现稳定的导电通道，更重要的是 导体材料仍然是集成电路中微电子器件构成的主要元件， 可以提供较多的电子空穴注入通道，有利于实现阻变式随机存储器件。本章主要选取 i 薄膜的制备过程如下： a 将切好的 入准备室内； b 开启 备真空系统，抽取准备室和生长室的真空至 10 c 设置升温程序，对衬底加热，控制升温速率 80 / d 通入载气，控制气体压强，维持稳定，准备生长； e 激光预热之后，预先打靶材几分钟，清理表面污染物； f 待衬底温度到达预定温度，开始沉积生长薄膜； g 生长完毕后，降至室温，取出样品，关闭机器。 长参数对 i 薄膜结构和晶体质量的影响 底温度 大量实验表明利用 备生长的薄膜受衬底温度的影响很大，包括了原子的迁移，衬底受热膨胀，衬底与生长薄膜晶格失配，温度对薄膜沉积速率的影响，甚至高温反蒸发元素，导致薄膜组份不均等等因素。因此，选用合适生长温度对制备得到的薄膜质量好坏十分重要。 在讨论合适的衬底温度对薄膜质量的影响之前， 对 他生长参数固定，选用靶材 i（ 5） ， 材与衬底之间的距离确定为 冲激光频率为 10冲激光功率为 110长沉积时间 2h，氧气分压为20确定上述参数不变的条件下， 选定生长温度变化范围从室温变化到 800。 图 2展示了不同衬底温度生长的 i 薄膜的 谱。从图中可以看出制备的 i 薄膜晶体取向单一，除了位于 附近的蓝宝石衬底 (006)面的衍射峰之外，只有 111）面和（ 222）面的衍射峰，并且随着衬底温度的升高，衍射信号强度逐渐增强（如右图） 。当 把（ 111）面衍射峰放大之后（如左图） ，发现随着衬底温度的升高， 峰位向大角度方向移动， 分析原因为当衬底温度升高，子在 格中的迁移速率变小，反蒸发减弱，使得其在 格中较为稳定，导致形成了 代 位的结构，故随着衬底温度的升高， 面间距变小， (111)面衍射峰略微向大角度方向移动。在对其峰值半高宽计算之后，发现均为 左右，说明成膜的晶体质量较高，薄膜质量较好。 东北师范大学硕士学位论文 14 图 2用 法在不同衬底温度下制备得到的 i 薄膜的 谱 长气氛和气体分压 为了进一步研究 长参数对薄膜质量和晶体结构的影响，我们改变了生长气压，在其他生长条件不变的情况下，确定衬底温度为 600，改变生长气压为氧气 2 20 2示了在不同生长气压下制备的 i 薄膜的 谱，与上面改变衬底温度得到的 谱类似，除了衬底的衍射峰之外，只观察到了 111）面和较弱的（ 222）面的特征衍射峰。随着氧气分压的增大，峰位向大角度方向移动，这主要是由于在缺氧的条件下，晶格中主要以 结合，而在富氧条件下，晶格中存在 多种化学键结合，所以氧气分压增大的过程，提供了 格中 O 结合的通道， 面间距变小 ,射峰位置向大角度移动。但是，从图谱中我们发现在 2气分压时，出现了略微向小角度方向的移动，这可能是由于在600相对较低的气压下 饱和蒸汽压较大，使得大量的 子蒸发损失，导致了制备的薄膜中 含量很少，故峰位更接近于 特征衍射峰。 东北师范大学硕士学位论文 15 图 2用 法在不同氧气分压下制备得到的 i 薄膜的 谱 长参数对 i 薄膜电学性质的影响 底温度的影响 上一小节讨论了 长参数对薄膜质量和晶体结构的影响，证明了 掺杂确实会影响 晶格，改变的晶格结构是否对其性质有所影响，特别是在器件应用中，一些电学参数的变化导致的器件稳定性，持久性，甚至灵敏度的变化，对器件性能产生很大的影响。 图表 2示了不同衬底温度下，制备的 i 薄膜的霍尔效应测试结果。 20 400 500 600 700 800 电阻率（ 载流子浓度 （ 1/ 迁移率（ 从图表 2发现，随着衬底温度的升高，薄膜的电阻率下降，载流子浓度逐渐升高，迁移率逐渐下降，分析原因主要是因为随着衬底温度的升高， 掺杂导致了大量受主能级的形成，使得空穴载流子浓度提高，000000000000000000东北师范大学硕士学位论文 16 增多，整体的电阻率下降，而迁移率的下降可能是由于载流子浓度过大，降低了空穴的迁移能力。 而经过多次测量之后， 发现在较高温度时， 由于薄膜质量较好，晶格缺陷较少，相对较高且稳定的载流子浓度导致了较为稳定的空穴导电类型，证明了 i 薄膜是一种稳定的 p 型导电材料，并且 掺杂不仅提高了载流子浓度，而且在分析大量测量结果时， p 型导电很稳定，为下面的研究提供方便。 长气氛和气体分压的影响 根据上面 节中 i 薄膜的生长条件， 对不同氧气分压条件下制备的 i 薄膜进行了霍尔测试，如图表 2到结论：随着氧气分压的增大，薄膜电阻率下降，载流子浓度升高，迁移率下降。依据前面的分析，当氧气分压较大时， 掺杂作用明显，产生了大量的受主能级，使得空穴载流子浓度提高，电阻率下降。同样我们对制备的薄膜进行了大量的实验测试，发现在 20p 型导电较为稳定。 图表 2用 法在不同氧气分压下制备得到的 i 薄膜的霍尔测试结果 0阻率（ 载流子浓度 （ 1/移率（ 章小结 本章系统地研究了利用 法 ,改变衬底温度和氧气分压对制备的 体结构及电学性质的影响。得到了改变衬底温度和氧气分压条件，晶格结构发生了规律性的变化，随着衬底温度的升高和氧气分压的增大， 掺杂作用使得 面间距变小，证明了 经掺杂到 体结构中。同时对电学性质测试表明，随着衬底温度的升高和氧气分压的增大，空穴载流子浓度提高，电阻率下降，得到了稳定的 p 型导电的 i 薄膜材料。 000000000东北师范大学硕士学位论文 17 第三章 i 薄膜阻变特性研究 上一章，我们利用 法，通过改变生长参数，对 i 薄膜的晶体结构，薄膜质量及电学稳定性的影响进行了表征，实现了 杂对 学稳定性的调控。为了实现一种稳定的存储效果和高的开关比值，那么就要获得相对高电阻的薄膜，基于存储器件对薄膜的要求，结合之前生长的薄膜电学稳定性，我们利用 法，选择生长条件为 600， 气分压，生长时间为 1h，衬底选择 t 沉积层的商用 底，其他参数不变，研究其存储器件应用及阻变特性。 i 薄膜的形貌及光学性质表征 表征薄膜样品表面形貌的方法有很多。比如扫描电子显微镜（ ，原子力显微镜 (，在清晰的视野中描绘微观世界的形形色色。图 3绘了制备在 底上的 i 薄膜的 谱，观察到了在很小尺寸下的样品表面形貌，从左图中可以观察到除了有少许的较大粒子之外，薄膜表面较为平整，连续性和均匀性较好，有利于电学性质和阻变特性的测试，右图为能谱分析图(对左图的区域进行能谱测量，反映了薄膜中化学元素的含量，分析之后，我们确定了带有 商用 底的信号，包括了 O 元素的信号，都证明了我们生长的薄膜为 是 素的信号并没有清楚地发现，这可能是由于掺杂量少，生长过程中的损失，能谱测试对 素不敏感等诸多影响因素，导致了 素能谱信号的缺失。 图 3i 薄膜的 谱 东北师范大学硕士学位论文 18 由于阻变式存储器对薄膜的厚度影响较大，因此我们对制备的薄膜样品进行了截面 测试，如图 3右至左依次为 底，约 300的 薄的 积层， i 薄膜及真空。在对 i 薄膜测量之后，得到在此生长条件下制备的薄膜厚度约为 120下方的原型颗粒可能为类似图3的较大颗粒，这个厚度下，薄膜较为平整，有利于存储器件的研究。 图 3i 薄膜的截面 谱 为了进一步表征 i 薄膜的光学性质，我们对其在 325光激发下的发光图谱进行了测量，如图 3现了两个较宽的发射带，发光中心分别位于440 575近，根据 能带结构，并没有发现激子属性的带边发射（ ，只观察到了 杂受主相关的发射和缺陷相关的发射，但整体发光较弱，载流子的复合效率较低，这也证明了之前分析地载流子浓度较高，大部分都参与了导电的实验解释。 东北师范大学硕士学位论文 19 图 325光激发下 i 薄膜的光致发光图谱 图 3绘了在同样条件下生长在 i 薄膜紫外 图中可以知道从近红外到可见光区制备的 i 薄膜光学透过性很好，对这个范围内的光基本上全部透过，而到了紫外光区，明显的吸收边出现在 346近，对应能量为 比 能带结构，确定了我们生长的 i 薄膜的光学带隙为 正常的 禁带宽度（ 接近，从而证明了我们制备的 i 薄膜由于 杂含量较少，导致的光学带隙变窄，并且薄膜本身在近红外和可见光区域的光学透过性好。 至此，我们对制备的 i 薄膜的表面形貌，能谱分析，截面厚度，光致发光，光学吸收谱等性质进行了表征，对之后的的存储器件及其阻变特性的研究提供了基础。 东北师范大学硕士学位论文 20 图 3i 薄膜的吸收光谱图 于 t/i 结构的阻变特性研究 图 3挥发性存储器 t/i 的结构图 这种电阻式随机存储器按如下步骤被制作：我们用自制的 材在i 的衬底上用脉速激光沉积（ 方法生长一层大约 120 i 薄膜，随后又用小型溅射仪在 208径的 电极，从而构成了 t/i 这种金属 金属简单结构的存储器件，如图 3示。我们用 号的脉冲发生器发送脉冲去改变器件电阻状态的，然后用 波器去监东北师范大学硕士学位论文 21 测电阻的改变，而电学测试我们用的是 636 半导体参数测试仪。而在测试的过程中我们一直选择在底电极一端加正，顶电极一端接地。 对于这种存储器来说它有两种状态， 即高阻状态 （ 和低阻状态 （ ，而从 着 转变过程被定义为开启（ 程，从 着 转变过程被定义为关闭（ 程。我们要想让器件实现这种稳定的高低阻的转化过程，需要对器件加一个高的形成电压约 开启这个器件，实现第一次的从 着 转变，这也说明第一次的形成电压（ 开启与之后当的开启电压是有区别的，形成电压明显大于之后的开启电压，我们会在之后机制讨论中着重的研究。对这个存储器件反复的开启与关闭，它会显示一种典型的单极性的电阻转变在交流扫描偏压的情况下。在 程一个正偏压约 应用去实现器件从转化， 我们选择 2限制电流防止器件被硬击穿，从而实现器件稳定的电阻转化，之后约在 偏压下引起了电流的突然减小来实现器件从 着 转变，如图 3我们选取的几组转换的示意图。它展示了典型的单极性电阻转化特性，此器件需要一个大的形成电压，然后在 1限制电流下实现转化。不同于双极性存储器，在单极性阻变开关效应中， 扫描电压可以不需