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研究生： 王之賢
Wang, Chih-Hsien
論文名稱： 鐵酸鉍薄膜之電阻轉換效應
指導教授： 吳振名
Wu, Jenn-Ming
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： 2009
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 117
中文關鍵詞： 鐵酸鉍 、電阻轉換 、燈絲理論 、RRAM
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    • RRAM因具有結構簡單、元件小、可高速讀取等優點，且可做非破壞性讀取，不斷有新的研究提出。RRAM是利用脈衝電壓使薄膜改變電阻值，但其機制尚未確認，目前最廣為接受的機制為燈絲理論。
    本論文以鐵酸鉍做為RRAM中絕緣層材料，做成Pt/BFO/Pt結構。經過Bipolar量測，發現鐵酸鉍並無Bipolar性質。在unipolar量測中，配合不同厚度、不同退火溫度的薄膜，發現薄膜結晶狀態會影響unipolar性質的穩定性，晶粒大小、方向分布越均勻，unipolar性質即越穩定。接著探討鐵電薄膜中鐵電極性和量測電壓相對關係的影響，並配合介電量測推測薄膜極化狀態，發現當鐵電極性和量測電壓反向時，薄膜內部載子分布會受極性影響，使得高阻態電流值較穩定。對原始阻態、高阻態、低阻態做電流curve fitting，發現根據傳導機制推測所得的薄膜內部狀況和燈絲理論符合，高阻態時斷裂的燈絲形成trap，為Poole-Frenkel emission主導，低阻態燈絲Ohmic傳導，其溫度趨勢符合燈絲理論中，燈絲受能量而斷裂的推測。對薄膜做介電量測，除了推測薄膜極化狀態，也發現低阻態為單純的電阻性質，高阻態雖為電容性質，但因殘留燈絲的存在，tan δ較高。

    第一章 導論 1 第二章 文獻回顧 4 2-1. 非揮發性記憶體簡介 4 2-2. 電阻式記憶體 4 2-2.1. 簡介、機制9 4 2-2.2. 常見材料 6 2-3. 燈絲理論 6 2-4. 鐵電材料 9 2-5. 應用鐵電材料之RRAM 10 2-6. BiFeO3 11 2-6.1. 優點 11 2-7. 漏電機制 12 2-7.1. Barrier-Limit漏電機制 12 2-7.1.1. 蕭特基發射(Schottky emission) 12 2-7.1.2. Tunneling 13 2-7.2. Bulk-limit漏電機制 13 2-7.2.1. 空間電荷傳導(Space Charge Limited Conduction，SCLC) 14 2-7.2.2. 離子傳導 14 2-7.2.3. 本質傳導 15 2-7.2.4. 普蘭-法蘭克發射(Poole-Frenkel emission) 15 第三章 實驗流程 21 3-1. 基板製備 21 3-2. 溶液製備 21 3-3. 薄膜鍍製 21 3-4. 退火條件 22 3-5. 上電極鍍製 22 3-6. 電性量測 22 3-6.1. 漏電性質 22 3-6.2. 介電性質 23 3-6.3. 鐵電極性 23 第四章 結果討論 26 4-1. 薄膜結構分析 26 4-1.1. XRD 26 4-1.2. SEM表面影像 27 4-1.3. AFM 27 4-1.4. XPS 28 4-2. Bipolar量測 29 4-3. Unipolar量測 30 4-3.1. 六層(~160nm厚) 30 4-3.2. 四層(~110nm厚) 30 4-3.3. 二層(~60nm厚) 31 4-3.4. R ratio和轉換電壓比較 32 4-3.5. 不同Compliance的R ratio比較 33 4-3.6. 厚度和電阻轉換效應表現 33 4-3.7. 結晶狀態和電阻轉換效應表現 34 4-3.8. 結論 35 4-4. 鐵電極性對電阻轉換效應的影響 35 4-4.1. P-E曲線分析 35 4-4.2. 鐵電極性對unipolar性質的影響 36 4-4.2.1. 正反電壓交互量測法 36 4-4.2.1.1. 做法、各階段極性分析 36 4-4.2.1.2. 影響 37 4-4.2.2. 反向電壓極化法 38 4-4.2.2.1. 做法、各階段極性分析 38 4-4.2.2.2. 影響 39 4-4.3. 結論 40 4-5. 電流傳導機制 40 4-5.1. 原始阻態 40 4-5.2. 高阻態 41 4-5.3. 低阻態 44 4-5.4. 結論 45 4-6. 掃頻電容量測 45 4-6.1. 不加反向電壓 46 4-6.2. 加入反向電壓量測 46 4-6.3. 薄膜極化推論 47 4-6.4. 結論 50 第五章 結論 114 參考資料 115

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