ZnMn2O4陶瓷、薄膜的制備、性能及器件應(yīng)用研究.pdf

1、半導(dǎo)體存儲器因?yàn)槠洫?dú)特的功能地位,在電子領(lǐng)域的高速發(fā)展的今天,吸引著許多國內(nèi)國際上知名企業(yè)的目光。但是,由于目前半導(dǎo)體存儲器技術(shù)制備工藝和性能上缺陷的限制,迫切需要在材料和技術(shù)方面取得突破性進(jìn)展。其中,電阻式存儲器(RRAM)因具有高速度、高密度、長壽命、低成本、低功耗及非揮發(fā)性等優(yōu)點(diǎn),成為本領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。
　　本論文研究了ZnMn2O4陶瓷用傳統(tǒng)固相合成法制備的工藝和性能,并且研究了采用磁控濺射方法制備ZnMn2O4薄膜的工藝

2、和由ZnMn2O4薄膜作為介質(zhì)的阻變存儲器件的性質(zhì),還研究了不同濺射工藝和不同的異質(zhì)結(jié)構(gòu)對器件阻變特性的影響。
　　結(jié)果表明:以分析純的ZnO、MnCO3按照摩爾比1:2,在750℃預(yù)燒、1100℃燒結(jié)并保溫6小時的固相合成工藝條件下可以制備出結(jié)構(gòu)致密的ZnMn2O4陶瓷。ZnMn2O4陶瓷的物相組成在1250℃以下并不會隨著溫度的變化而改變,并且燒結(jié)溫度越高ZnMn2O4陶瓷氣孔越多。其交流阻抗擬合后等效電路表現(xiàn)為(R(C(RQ

3、)))。
　　對于 ZnMn2O4薄膜研究發(fā)現(xiàn)其可以通過磁控濺射法在一定工藝條件下制得。SEM分析結(jié)果顯示在退火600℃后,薄膜表面平整,大小均勻,排列緊密。Ag/ZnMn2O4/p-Si結(jié)構(gòu)阻變電容表現(xiàn)為雙極型阻變特性。高低阻值差可以達(dá)到104數(shù)量級,并且有著良好的疲勞特性。Ag/ZnMn2O4/p-Si異質(zhì)結(jié)器件的傳導(dǎo)機(jī)制為:在低阻狀態(tài)傳導(dǎo)機(jī)制是歐姆傳導(dǎo),高阻狀態(tài)傳導(dǎo)機(jī)制遵循復(fù)合SCLC模型。其異質(zhì)結(jié)器件在高阻態(tài)可以等效為一個

4、電阻(R0)的和一個平行電阻-電容(R-C)的串聯(lián)。低阻態(tài)可以等效為一個純電阻的形式。
　　通過研究不同濺射工藝條件對器件阻變特性的影響發(fā)現(xiàn),p-Si基片(下電極)溫度與 ZnMn2O4薄膜的晶粒成正比,但基片溫度并不會影響器件的雙極型阻變特性。基片溫度為100℃和300℃時開關(guān)電壓約為7.5V和-7.5V,均比500℃時開關(guān)電壓小。隨著基片溫度升高,器件高阻態(tài)電阻增大,但低阻態(tài)電阻基本相同。當(dāng)基片溫度低于300℃時,基片溫度對器

5、件的疲勞特性基本無影響。但當(dāng)基片溫度為500℃時,疲勞特性嚴(yán)重劣化。濺射功率為75W左右時,腔體開始啟輝。濺射功率并不會影響器件的雙極型阻變特性。對于開關(guān)電壓,濺射功率80W時最大,100W最小。對于高、低態(tài)阻值,不同濺射功率制備的器件并沒有數(shù)量級上的明顯差別并且濺射功率對器件疲勞特性也基本無影響。不同的退火溫度的熱處理?xiàng)l件制備出的薄膜晶粒發(fā)育程度不同。450℃的退火溫度開關(guān)電壓最大,600℃的開關(guān)電壓最小。三個退火溫度對高低阻值和疲勞

6、特性并沒有明顯的影響?；瑴囟?、濺射功率、退火溫度均不會影響ZnMn2O4薄膜的相結(jié)構(gòu)。
　　對于異質(zhì)結(jié)構(gòu)對其阻變特性的影響可以得出以下結(jié)論,以 Pt作下電極時,器件表現(xiàn)出雙極型阻變特性,其開關(guān)電壓比用 p-Si作下電極時小,特別是其低態(tài)電阻值小很多。以 n-Si作下電極時,器件既表現(xiàn)出雙極型阻變特性亦有單極型阻變特性。無論是單極型還是雙極型時,開關(guān)電壓均比用 p-Si作下電極時大,高、低態(tài)電阻值也均比用p-Si作下電極時大很多,