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研究生： 劉子正
Zi-Jheng Liu
論文名稱： 氧化鋅薄膜之雙極性電阻轉換特性研究
Bipolar Resistive Switching Characteristics of ZnO Thin Films
指導教授： 甘炯耀
Jon-Yiew Gan
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年： 2008
畢業學年度： 96
語文別： 中文
論文頁數： 75
中文關鍵詞： 非揮發記憶體 、氧化鋅 、電阻轉換 、導電微通道
外文關鍵詞： non-volatile memory, ZnO, resistive switching, conductive-bridging
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    • 導電微通道式記憶體 (conductive-bridging random access memory, CBRAM) 具有非揮發性記憶、較低的運作電流和電阻轉換電壓、簡單結構、元件可縮小化、多重位元記憶 (multi-digit storage)、非破壞性讀取等優點，因此受到研究上的興趣。CBRAM 的效能和其所使用之固態電解質有很大的關係，除了它必須是良好的離子導體與電子絕緣體外，其微結構還必須能適時調整藉以容納外來陽離子與滿足金屬微通道之成長。本研究嘗試採用 ZnO 作為固態電解質材料，其在低溫下即可製作成具有柱狀晶結構與優選指向的薄膜，且我們認為具有此特性的 ZnO 薄膜之晶界可提供較短的 filament 成長路徑、較快的離子擴散速率以及較多的空間容納外來金屬陽離子或原子，所以可使固態電解電池元件具有較佳的均勻性 (uniformity) 與穩定性。
    本研究採用反應性磁控濺鍍法在 Pt、Ru 或 TiN 電極上製作 ZnO 薄膜，並且搭配 Ag (Cu) 可氧化電極製作成固態電化學元件，再藉由變換元件的電流限制值、ZnO 薄膜厚度與底電極基板研究其雙極性電阻轉換行為。從實驗結果獲得三個重要結論：(一) ZnO 為可行且具有潛力的固態電解質。(二) 從低阻態電阻值推測應有量子效應影響其元件的傳輸特性。(三) Ag (Cu) filament 的成長應是經由電場驅使 Ag (Cu) 離子在 ZnO 薄膜內的晶界移動所造成。

    論文摘要 I Abstract II 誌謝 IV 目錄 VI 圖目錄 IX 表目錄 XVI Chapter 1 前言與研究動機 1 1.1 簡介 1 1.2 研究動機 2 Chapter 2 文獻回顧 5 2.1 導電微通道式記憶體 (CBRAM) 與新型記憶體技術 5 2.2 電極材料 7 2.3 固態電解質材料 7 2.3.1 Ag-Ge-Se 系統 8 2.3.2 Cu2S 系統 9 2.3.3 Ag2S 系統 10 2.3.4 Ag-TiO2 系統 12 2.3.5 Cu-Ta2O5 系統 13 2.3.6 Cu-WO3 系統 15 2.4 Ag-H2O 電阻轉換模擬系統 16 2.5 ZnO 的晶體結構與相關應用 17 2.6 ZnO 的電阻轉換特性 18 Chapter 3 實驗方法與流程 32 3.1 射頻磁控濺鍍 (radio-frequency magnetron sputtering) 32 3.2 反應性濺鍍 (reactive sputtering) 33 3.3 元件製作 33 3.3.1 底電極製作 (Pt、Ru 與 TiN) 33 3.3.2 ZnO固態電解質薄膜製作 34 3.3.3 上電極製作 (Ag 與 Cu) 34 3.4 元件特性分析與量測 35 3.4.1 結構分析 35 3.4.2 表面形貌與薄膜厚度檢測 35 3.4.3 電性量測 35 Chapter 4 實驗結果與討論 42 4.1 Ag/ZnO/Pt 元件特性 42 4.1.1 ZnO 薄膜結構與表面形貌 42 4.1.2 雙極性電阻轉換特性 42 4.2 電流限制設定值對電阻轉換特性之影響 44 4.3 ZnO 固態電解質厚度對電阻轉換特性之影響 46 4.4 變換底電極基板 (Ru、TiN) 對電阻轉換特性之影響 51 4.4.1 ZnO 薄膜結構與表面形貌 51 4.4.2 雙極性電阻轉換特性 52 4.5 Cu/ZnO/Pt 元件特性 53 Chapter 5 結論 69 參考文獻 71

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