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)電細絲機制;采用導(dǎo)電AFM測試成功觀察到導(dǎo)電細絲的形成和斷裂，有力地確認了POMA+陽離子導(dǎo)電細絲機理;論文的最后通過對阻變性能退化機制的分析進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，保證了高標準的清洗。通過確保器件的制備及測試盡量在超凈間進行，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)電細絲機理。
　　然后對無頂電極的POMA/ITO器件（器件1）進行了導(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