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CuInS_2/PNZT复合薄膜阻变性能研究

邵雅洁  
【摘要】:铁电基阻变存储器(FeRRAM)具有简单的结构、高的存储密度、快的读写速度及非破坏性读写等优势受到了研究学者的广泛关注,成为最具潜力的新型半导体存储器之一。同时,铁电材料具有抗辐射能力好等优点,使得FeRRAM具有可以在特殊环境下应用的潜力,并且将铁电随机存储器的极化翻转存储优化为阻变存储,实现数据的非破坏性读出,使器件不会出现疲劳性能,但FeRRAM的阻变开关较小,阻碍了其进一步发展。研究发现,适当的带电缺陷可以提高FeRRAM的阻变开关。基于此,本文以PZT为研究对象,采用掺杂和引入界面层的方式来调控带电缺陷浓度和分布来调控FeRRAM的阻变性能,主要的研究内容和结论如下:(1)采用溶胶-凝胶法在Pt衬底上制备PZT薄膜(厚度580 nm),沉积Au作为顶电极。由预极化处理后的J-V曲线可以发现,PZT薄膜具有可翻转的二极管效应。通过半导体理论分析表明,PZT薄膜的二极管翻转效应是由于薄膜与电极之间肖特基-欧姆接触之间的转化导致。通过预极化电压可以调控铁电畴大小和肖特基势垒高度,随着预极化电压的增加,对导电有增强作用的铁电畴壁数量降低,肖特基势垒高度增加,二者的综合作用使二极管的导通电流密度下降。(2)通过引入Nb~(5+)取代Ti~(4+)(或者Zr~(4+)),产生Pb~(2+)空位,调控PZT薄膜内的缺陷浓度,得到Pb[(Zr_(0.48)Ti_(0.52))_(0.97)Nb_(0.03)]O_3薄膜(简称PNZT)。在高阻态时,PNZT薄膜的J-V曲线在物理上符合肖特基发射机制电流模型;在低阻态时,PNZT薄膜的J-V曲线在物理上符合空间电荷限制电流模型。Nb~(5+)的引入一方面降低了薄膜与电极界面之间的肖特基势垒;另一方面薄膜引入了更多的带电缺陷,为载流子提供更多的通道,从而提高了PZT薄膜的电流密度比,降低了其阈值电压。PZT薄膜的正向电流密度比为79.7,阈值电压为1.3 V,而PNZT薄膜的正向电流密度比为128.1,阈值电压为0.7 V;PZT薄膜的负向电流密度比为72.3,阈值电压为-1.2 V,PNZT薄膜的负向电流密度比为113.4,阈值电压为-1.1V。PNZT薄膜的阻变效应是由铁电极化和缺陷共同作用形成的。(3)在PNZT与Au上电极之间引入CuInS_2量子点,提高电极与PNZT薄膜之间的载流子传输速率,得到CuInS_2/PNZT复合薄膜。由于CuInS_2不具有铁电效应并且自身的分压作用可以抑制PNZT薄膜的铁电极化,PNZT薄膜的剩余极化值为43.4 u C/cm~2,CuInS_2/PNZT复合薄膜的剩余极化值仅为25.9 u C/cm~2。同时,CuInS_2是具有阻变效应的p型半导体,可以加快载流子的传输,对CuInS_2/PNZT复合薄膜和PNZT薄膜施加+5 V电压时即获得开态,施加-5 V电压时即获得关态。在+1.5 V的电压下读出PNZT薄膜的开关比约为97,CuInS_2/PNZT薄膜的开关比约为300。因此,引入CuInS_2量子点,可以抑制PNZT的铁电极化并实现缺陷主导型阻变,从而提高PNZT薄膜的阻变效应。(4)在PNZT与Pt下电极之间引入Ba(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3薄膜(简称BMN),调控PNZT薄膜的带电缺陷分布,得到PNZT/BMN复合薄膜。由于BMN的引入促进了PNZT薄膜的生长,提高了PNZT薄膜结晶质量从而提高了PNZT薄膜的电学性能。PNZT/BMN复合薄膜的剩余极化值为50.1 u C/cm~2;PNZT/BMN复合薄膜的介电损耗降低;在100 k V/cm的电场下,PNZT/BMN薄膜的漏电流密度为5.40×10~(-7) A/cm~2。BMN的引入有望进一步改善PNZT的阻变性能。


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