MgO薄膜忆阻器的制备及其阻变与瞬态特性研究

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忆阻器是一种新型电子器件,兼具信息储存和逻辑运算功能,在非传统计算机及模拟神经网络等方面有重要研究价值;瞬态电子器件是指在特定条件下能可控溶解或消失的电子器件;瞬态忆阻器结合了二者的特点,在应用上有不可替代之处。氧化镁(MgO)薄膜介电常数高,具有良好的绝缘性,且可与水发生反应而溶解,可用作瞬态忆阻器的阻变层材料。本文基于MgO薄膜制备忆阻器件,主要研究其阻变特性和瞬态性能。采用电子束蒸发方法制备了MgO薄膜,研究了衬底温度、沉积速率以及沉积时间等不同工艺参数对薄膜微观状态的影响。25℃制备的MgO薄膜为多晶态;随衬底温度的升高,薄膜表面粗糙度增大,折射率n和消光系数k增大,厚度减小。沉积速率为1?/s时薄膜的表面粗糙度最小,n最大,致密度最大。薄膜厚度与沉积时间成正比,沉积时间越长,薄膜厚度越大,n越大,k不变。制备MgO阻变层的工艺参数为衬底温度25℃、沉积速率1?/s、沉积时间100s、厚度10nm,基底为Si/SiO2基片。通过掩模法制备了Ni(80nm)/MgO(10nm)/Ni(80nm)点电极结构忆阻器,并研究了其阻变特性。发现器件无需电形成过程,SET电压约为0.8V,RESET电压约为-0.6V;器件具有良好的循环稳定性,100次循环过程中高低阻态阻值之比始终大于102;器件具有非易失性,高低阻态的阻值保持时间均大于104s。Ni/MgO/Ni忆阻器中同时存在导电细丝和空间电荷限制电流两种阻变机理。低阻态时电流与电压成正比,为导电细丝机制;高阻态时电流与电压呈分段线性关系,为空间电荷限制电流机制。低温条件下,器件的高阻态阻值随温度的变化符合绝缘体特征,低阻态阻值随温度升高线性增加,符合金属特性,进一步证明忆阻器中两种阻变机理的存在。研究了忆阻器的瞬态性能。采用自然风干成膜方法制备了蚕丝蛋白基片(Fibroin Membrane,FM)和聚乙烯醇基片(PVA),并在其上制备了忆阻器件,发现10nm的MgO薄膜可在60min内在水中溶解消失,Ni、Fe、W等电极也可在水中解构。在Si/SiO2、FM和PVA基底上制备的Ni/MgO/Ni、W/MgO/Ni和W/MgO/Fe忆阻器均可在水中溶解失效,具有瞬态性能。
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