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铁电体阻变行为的扫描探针显微镜研究

任忠琪  
【摘要】:作为集成电路中的数据存储单位,存储器在集成电路中占据着必不可少位置并发挥着重大的作用。随着科技的高速发展和信息时代的来临,人们对集成电路的信息存储和处理提出了更高的要求。然而传统的存储器受限于其物理极限,已经无法满足人们的需求,因而研究者们开始探索具有更大的信息存储量、更快处理速度和更小器件尺寸的下一代非易失随机存储器。在新型的存储器中,由于读写速度快,功耗较低和可靠性高等优势,阻变随机存储器(RRAM)已经获得人们的广泛关注。其中利用铁电材料作为阻变层的铁电RRAM(FeRRAM),由于其工作机制是利用材料的本征铁电性,因此在低功耗、耐疲劳及可控性方面具有显著的优势,在RRAM中脱颖而出。但是,FeRRAM的阻变(Resistance switch,RS)行为复杂,相关RS机制至今仍然存在争议。本文我们选取了两种典型的铁电氧化物薄膜:铁酸铋(BiFeO_3,BFO)和锆钛酸铅(Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3,PZT)作为研究对象,利用多功能扫描探针显微镜(SPM)导电探针对金属/铁电功能层/金属结构的器件进行原位测试,系统地对薄膜的铁电极化、表面电势及输运特性、RS机制等进行了深入的分析。首先,在第三章中,我们利用扫描开尔文探针显微镜(SKPM)对电压写入后的薄膜表面电荷的分析发现注入电荷与极化电荷是RS行为起源的电荷,也是表面存在的最主要电荷。同时,注入电荷量多于极化电荷,并覆盖了极化电荷在表面电势中的存在,因此无法利用SKPM对铁电薄膜表面的极化电荷进行表征。在第四章中,通过压电力显微镜(PFM)和SKPM的联合表征,发现使用较高温度短时间或者使用较低温度长时间这两种优化的热处理工艺都可以实现注入电荷的驰豫,并使分离后的极化电荷成为材料表面存在的最主要电荷,前者适用具有高居里温度的铁电材料如BFO等,后者同时适用于低居里温度的组分如PZT。通过表面电荷的有效弛豫过程,我们首次通过SKPM测试成功表征了材料表面的极化电荷分布情况。随后,结合导电原子力显微镜(CAFM)的原位测试,原位表征了注入电荷驰豫前和驰豫后的RS行为,发现加热前和加热后RS行为与极化方向的对应关系是完全相反的:前者为以注入电荷为起源的RS行为,其机制为电荷的trapping/detrapping机制,后者为以极化电荷为起源的RS行为,其机制为极化电荷调节界面势垒机制。本研究通过多功能SPM的测试对分析铁电材料表面RS行为的机制提供了切实有效的方法,成功表征了FeRRAM中多样的RS行为,这将为开发高性能的FeRRAM起到重要的积极意义。另外,我们对二维In_2Se_3的铁电性及以其作为阻变层的器件进行了初步的研究,利用PFM表征证实了In_2Se_3的室温铁电性和铁电极化的面内外耦合特性。同时,发现In_2Se_3的初始极化方向与材料层数密切相关,利用SPM导电探针作为顶电极证实以In_2Se_3作为铁电功能层的MIM结构中具有RS特性。


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