氧化钒薄膜的微结构及阻变特性研究

韦晓莹; 胡明; 张楷亮; 王芳; 刘凯

doi:10.7498/aps.62.047201

摘要

采用射频反应溅射法于室温下在Cu/Ti/SiO2/Si基底上制备了氧化钒薄膜. X-射线衍射、X射线光电子能谱分析仪及原子力显微镜结果表明, 室温下制备的氧化钒薄膜除微弱的V2O5 (101)和V2O3 (110)峰外, 没有明显的结晶取向, 是VO2, V2O5, V2O3及VO的混合相薄膜, 且薄膜表面颗粒大小均匀, 表面均方根粗糙度约为1 nm. 采用半导体参数分析仪对薄膜的电开关特性进行测试. 结果表明薄膜具有较低的开关电压(VSetVResetIReset)随限流的增大而增大.通过高低阻态时I-V对数曲线的拟合(高阻态斜率>1, 低阻态斜率=1), 认为Cu离子在薄膜中扩散形成的导电细丝是该体系发生电阻转变的主要机制.

关键词:

Abstract

Vanadium oxide thin films are deposited on Cu/Ti/SiO2/Si by reactive sputtering at room temperature. The crystal structure, component and surface morphology of VOx film are characterized by X ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy, respectively. These investigations reveal that there is no obvious crystal orientation except weak V2O5 (101) and V2O3 (110) peaks, and the film contains VO2, V2O5, V2O3 and VO mixture phase. The surface particle size of the film is uniform with a root mean square roughness of 1 nm. The resistive switching properties of VOx thin film are tested by semiconductor device analyzer (Agilent B1500A). The I-V characteristics of the VOx memory cell reveal that the cell has low switch voltage (VSetVResetIReset) increases with current compliance increasing. The double-logarithmic plots of the I-V curve for the high and low resistance state show high configuration slope >1 and low resistance state slope=1. It is confirmed that the copper ion diffusion and the formation of conduction filaments may be the resistance switching mechanism of the VOx/Cu structure.

Keywords:

作者及机构信息

1.
天津大学电子信息工程学院, 天津 300072;

2.
天津理工大学电子信息工程学院, 天津市薄膜电子与通信器件重点实验室, 天津 300384

基金项目: 国家自然基金(批准号:61274113,11204212)、教育部新世纪优秀人才支持计划(批准号:NCET-11-1064)、国家自然科学基金青年科学基金(批准号:61101055)、高等学校博士学科点专项科研基金(批准号:20100032120029)和天津市科技计划重点项目(批准号:10SYSYJC27700)资助的课题.

Authors and contacts

1.
School of Electronics Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China;

2.
Tianjin Key Laboratory of Film Electronic and Communication Devices, School of Electronics Information Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61274113, 11204212), the Program for New Century Excellent Talents in University of Ministry of Education of China (Grant No. NCET-11-1064), the Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61101055), the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (Grant No. 20100032120029), and the Tianjin Natural Science Foundation, China (Grant No. 10SYSYJC27700).

参考文献

[1]	Yoshio Nishi 2011 Curr. Appl. Phys. 11 101
[2]	Chen C, Pan F, Wang Z S, Yang J, Zeng F 2012 J. Appl. Phys. 111 013702
[3]	Fang Z, Yu H Y, Chroboczek J A, Ghibaudo G, Buckley J, Salvo B D, Li X, Kwong D L 2012 IEEE Electr. Device Lett. 59 850
[4]	Sawa A 2008 Mater. Today 11 28
[5]	Waser R, Dittmann R, Staikov G, Szot K 2009 Adv. Mater. 21 2623
[6]	Panda D, Huang C Y, Tseng T Y 2012 Appl. Phys. Lett. 100 112901
[7]	Clima S, Chen Y Y, Degraeve R, Mees M, Sankaran K, Govoreanu B, Jurczak M, Gendt S D, Pourtois G 2012 Appl. Phys. Lett. 100 133102
[8]	Ebrahim R, Wu N J, Ignatiev A 2012 J. Appl. Phys. 111 034509
[9]	Syu Y E, Chang T C, Tsai T M, Chang G W, Chang K C, Tai Y H, Tsai M J, Wang Y L, Sze S M 2012 Appl. Phys. Lett. 100 022904
[10]	Wu M C, Wu T H, Tseng T Y 2012 J. Appl. Phys. 111 014505
[11]	Wang Y Z, Chen Y T, Xue F, Zhou F, Chang Y F, Fowler B, Lee J 2012 Appl. Phys. Lett. 100 083502
[12]	Meng Y, Zhang P J, Liu Z Y, Liao Z L, Pan X Y, Liang X J, Zhao H W, Chen D M 2010 Chin. Phys. B 19 037304
[13]	Wen X Z, Chen X, Wu N J, Ignatiev A 2011 Chin. Phys. B 20 097703
[14]	Allimi B S, Alpay S P, Xie C K, Wells B O, Budnick J I, Pease D M 2008 Appl. Phys. Lett. 92 202105
[15]	Wang Y Q, Zhang Z J 2009 Physica E 41 548
[16]	Wang Y Q, Zhang Z J, Zhu Y, Li Z C, Vajtai R, Ci L J, Ajayan P M 2008 ACS Nano 2 1492
[17]	Kang M, Kim I, Kim S M, Ryu J W, Park H Y 2011 Appl. Phys. Lett. 98 131907
[18]	Liu X H, Zhang Y F, Yi S P, Huang C, Liao J, Li H B, Xiao D, Tao H Y 2011 J. Supercrit. Fluid. 56 194
[19]	Song T T, He J, Lin L B, Chen J 2010 Acta Phys. Sin. 59 6480 (in Chinese) [宋婷婷, 何捷, 林理彬, 陈军 2010 59 6480]
[20]	Zhang H, Liu Y S, Liu W H, Wang B Y, Wei L 2007 Acta Phys. Sin. 56 7255 (in Chinese) [张辉, 刘应书, 刘文海, 王宝义, 魏龙 2007 56 7255]
[21]	Yan B W 2006 Piezoelectrics Acoustooptics 28 180 (in Chinese) [晏伯武 2006 压电与声光 28 180]
[22]	Dejene F B, Ocaya R O 2010 Curr. Appl. Phys. 10 508
[23]	Tamura K, Li Z C, Wang Y Q, Ni J, Hu Y, Zhang Z J 2009 Front. Mater. Sci. China 3 48
[24]	Son M, Lee J, Park J, Shin J 2011 IEEE Electr. Device Lett. 32 1579

施引文献

[1]	Yoshio Nishi 2011 Curr. Appl. Phys. 11 101
[2]	Chen C, Pan F, Wang Z S, Yang J, Zeng F 2012 J. Appl. Phys. 111 013702
[3]	Fang Z, Yu H Y, Chroboczek J A, Ghibaudo G, Buckley J, Salvo B D, Li X, Kwong D L 2012 IEEE Electr. Device Lett. 59 850
[4]	Sawa A 2008 Mater. Today 11 28
[5]	Waser R, Dittmann R, Staikov G, Szot K 2009 Adv. Mater. 21 2623
[6]	Panda D, Huang C Y, Tseng T Y 2012 Appl. Phys. Lett. 100 112901
[7]	Clima S, Chen Y Y, Degraeve R, Mees M, Sankaran K, Govoreanu B, Jurczak M, Gendt S D, Pourtois G 2012 Appl. Phys. Lett. 100 133102
[8]	Ebrahim R, Wu N J, Ignatiev A 2012 J. Appl. Phys. 111 034509
[9]	Syu Y E, Chang T C, Tsai T M, Chang G W, Chang K C, Tai Y H, Tsai M J, Wang Y L, Sze S M 2012 Appl. Phys. Lett. 100 022904
[10]	Wu M C, Wu T H, Tseng T Y 2012 J. Appl. Phys. 111 014505
[11]	Wang Y Z, Chen Y T, Xue F, Zhou F, Chang Y F, Fowler B, Lee J 2012 Appl. Phys. Lett. 100 083502
[12]	Meng Y, Zhang P J, Liu Z Y, Liao Z L, Pan X Y, Liang X J, Zhao H W, Chen D M 2010 Chin. Phys. B 19 037304
[13]	Wen X Z, Chen X, Wu N J, Ignatiev A 2011 Chin. Phys. B 20 097703
[14]	Allimi B S, Alpay S P, Xie C K, Wells B O, Budnick J I, Pease D M 2008 Appl. Phys. Lett. 92 202105
[15]	Wang Y Q, Zhang Z J 2009 Physica E 41 548
[16]	Wang Y Q, Zhang Z J, Zhu Y, Li Z C, Vajtai R, Ci L J, Ajayan P M 2008 ACS Nano 2 1492
[17]	Kang M, Kim I, Kim S M, Ryu J W, Park H Y 2011 Appl. Phys. Lett. 98 131907
[18]	Liu X H, Zhang Y F, Yi S P, Huang C, Liao J, Li H B, Xiao D, Tao H Y 2011 J. Supercrit. Fluid. 56 194
[19]	Song T T, He J, Lin L B, Chen J 2010 Acta Phys. Sin. 59 6480 (in Chinese) [宋婷婷, 何捷, 林理彬, 陈军 2010 59 6480]
[20]	Zhang H, Liu Y S, Liu W H, Wang B Y, Wei L 2007 Acta Phys. Sin. 56 7255 (in Chinese) [张辉, 刘应书, 刘文海, 王宝义, 魏龙 2007 56 7255]
[21]	Yan B W 2006 Piezoelectrics Acoustooptics 28 180 (in Chinese) [晏伯武 2006 压电与声光 28 180]
[22]	Dejene F B, Ocaya R O 2010 Curr. Appl. Phys. 10 508
[23]	Tamura K, Li Z C, Wang Y Q, Ni J, Hu Y, Zhang Z J 2009 Front. Mater. Sci. China 3 48
[24]	Son M, Lee J, Park J, Shin J 2011 IEEE Electr. Device Lett. 32 1579

[1]	陈涛, 张涛, 殷元祥, 谢雨莎, 邱晓燕. HfO₂/NiO_x/HfO₂堆栈的三电阻态开关特性与导电机制. , 2023, 72(14): 148401. doi: 10.7498/aps.72.20230331
[2]	柯庆, 代月花. 电化学金属化阻性存储器导电细丝生长中的离子动力学研究. , 2023, 72(24): 248501. doi: 10.7498/aps.72.20231232
[3]	周正, 黄鹏, 康晋锋. 基于非挥发存储器的存内计算技术. , 2022, 71(14): 148507. doi: 10.7498/aps.71.20220397
[4]	张兴文, 何朝滔, 李秀林, 邱晓燕, 张耘, 陈鹏. Ni/ZnO/BiFeO₃/ZnO多层膜中磁场调控的电阻开关效应. , 2022, 71(18): 187303. doi: 10.7498/aps.71.20220609
[5]	何朝滔, 卢羽, 李秀林, 陈鹏. 限制电流对Ta/BaTiO₃/Al₂O₃/ITO忆阻器的开关比和稳定性调控. , 2022, 71(8): 086102. doi: 10.7498/aps.71.20211999
[6]	余志强, 刘敏丽, 郎建勋, 钱楷, 张昌华. 基于Au/TiO2/FTO结构忆阻器的开关特性与机理研究. , 2018, 67(15): 157302. doi: 10.7498/aps.67.20180425
[7]	代月花, 潘志勇, 陈真, 王菲菲, 李宁, 金波, 李晓风. 基于HfO2的阻变存储器中Ag导电细丝方向和浓度的第一性原理研究. , 2016, 65(7): 073101. doi: 10.7498/aps.65.073101
[8]	王盼盼, 章俞之, 彭明栋, 张云龙, 吴岭南, 曹韫真, 宋力昕. VO2薄膜Vis-NIR及NIR-MIR椭圆偏振光谱分析. , 2016, 65(12): 127201. doi: 10.7498/aps.65.127201
[9]	蒋然, 杜翔浩, 韩祖银, 孙维登. Ti/HfO2/Pt阻变存储单元中的氧空位聚簇分布. , 2015, 64(20): 207302. doi: 10.7498/aps.64.207302
[10]	庞华, 邓宁. Ni/HfO2/Pt阻变单元特性与机理的研究. , 2014, 63(14): 147301. doi: 10.7498/aps.63.147301
[11]	杨伟, 梁继然, 刘剑, 姬扬. 在半导体-金属相变温度附近氧化钒薄膜光学性质的异常变动. , 2014, 63(10): 107104. doi: 10.7498/aps.63.107104
[12]	刘东青, 程海峰, 朱玄, 王楠楠, 张朝阳. 忆阻器及其阻变机理研究进展. , 2014, 63(18): 187301. doi: 10.7498/aps.63.187301
[13]	高旺, 胡明, 后顺保, 吕志军, 武斌. 氧化法结合快速热处理制备VOx薄膜及其性质研究. , 2013, 62(1): 018104. doi: 10.7498/aps.62.018104
[14]	何琼, 许向东, 温粤江, 蒋亚东, 敖天宏, 樊泰君, 黄龙, 马春前, 孙自强. 溶胶凝胶制备氧化钒薄膜的生长机理及光电特性. , 2013, 62(5): 056802. doi: 10.7498/aps.62.056802
[15]	李红霞, 陈雪平, 陈琪, 毛启楠, 席俊华, 季振国. 下电极对ZnO薄膜电阻开关特性的影响. , 2013, 62(7): 077202. doi: 10.7498/aps.62.077202
[16]	赵省贵, 金克新, 罗炳成, 王建元, 陈长乐. Gd0.55Sr0.45MnO3薄膜光诱导电阻变化特性研究. , 2012, 61(4): 047501. doi: 10.7498/aps.61.047501
[17]	武斌, 胡明, 后顺保, 吕志军, 高旺, 梁继然. 快速热处理制备相变氧化钒薄膜及其特性研究. , 2012, 61(18): 188101. doi: 10.7498/aps.61.188101
[18]	刚建雷, 黎松林, 孟洋, 廖昭亮, 梁学锦, 陈东敏. 点接触金属/Pr0.7Ca0.3MnO3/Pt结构稳定的低电流电阻开关特性. , 2009, 58(8): 5730-5735. doi: 10.7498/aps.58.5730
[19]	潘梦霄, 曹兴忠, 李养贤, 王宝义, 薛德胜, 马创新, 周春兰, 魏龙. 氧化钒薄膜微观结构的研究. , 2004, 53(6): 1956-1960. doi: 10.7498/aps.53.1956
[20]	谢泉, 罗姣莲, 干福熹. 复合型导电硅橡胶的电阻温度特性研究. , 2000, 49(6): 1191-1195. doi: 10.7498/aps.49.1191

计量

文章访问数: 7046
PDF下载量: 999
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板