文档介绍：河南大学
硕士学位论文
铜掺杂氧化锌薄膜的阻变特性和光致发光研究
姓名:董清臣
申请学位级别:硕士
专业:凝聚态物理
指导教师:张伟风
2011-05
摘要
2000 年, 美国休斯顿大学的科学家 S. Q. Liu等人发现电脉冲触发可逆电阻转变
效应, 他们并提出 RRAM(resistance random access memory)概念, 同时发现 RRAM 还具
有高响应速度、尺寸伸缩性强、多位存储、结构简单等优点。从此, RRAM 的研究已成
为材料学物理学、电子器件的领域研究热点。人们在机理研究、材料探索、以及器件研
制等方面都取得了长足进展。RRAM 可能成为通用存储器, 但是性能指标有待进一步优
化。由于 RRAM 是一种全新的存储技术, 目前, 电阻开关效应真正的机制存在争议, 由
于机制的不明确束缚了阻变存储器的在应用中的步伐。电阻转变过程中元素的变化、部
位的确认以及电阻转变的重复性问题, 是当前 RRAM 研究所面临的紧要问题;同时, 寻
找性能、制备都满足要求的材料仍是 RRAM 发展的关键。
作为候选电阻式随机存取存储器的材料主要有:具有简单结构的二元氧化物、具有复
杂成分的钙钛矿型的多元氧化物、有机化合物。其中最具潜力的当属二元过渡金属氧化
物半导体材料, 研究的热点主要有:二氧化钛、氧化锌、氧化镍、二氧化锆、氧化铜、氧
化铈等。它的存储单元具有简单的类似电容的三明治结构, 由两边的金属电极和中间的
绝缘或半导体材料构成。这种电阻开关现象表现出了极为迅速的开关速度和巨大的开关
比, 具有重大的科学研究价值与意义和广阔的应用开发前景。
氧化锌(ZnO)是直接带隙宽禁带化合物半导体材料, 其禁带宽度为 3. 37 eV, 在室
温下拥有 60 meV 的激子束缚能, 具有高的热稳定性和卓越的光学性质。最近的研究发
现, 过渡金属掺杂的 ZnO 可减小本征载流子浓度并产生深能级, 例如 Mn 掺杂 ZnO,在
室温下高阻态阻值变大, 从而有助于增大 RRAM 器件的开关比。ZnO 中进行 Cu 掺杂不
仅可用于调控薄膜电阻, 并使其呈现 p 型导电, ZnO:Cu 还是典型的室温稀磁性半导体,
作为多功能材料在应用方面很有前景。据我们所知, 目前尚无 ZnO:Cu 阻变活性材料的
报道。因此, 本文选用 ZnO:Cu 薄膜作为阻变材料。
1. 本文采用纯度为 99. 99%的 ZnO、纯度为 99. 9%的 CuO 和 18. 2 MΩ的去离子水
与聚乙烯醇配置的稀粘合剂溶剂作为原料制作 ZnO:CuO 陶瓷靶材。根据 ZnO、CuO 混
合
摩尔比分别为 1 : 99, 5 : 95, 9 : 91, 用天平称取一定量的 ZnO、CuO 粉末, 经过多个步骤,
这样我制备了 ZnO、CuO 摩尔比为 1:99,5:97,9:91 的 ZnO: Cu 陶瓷靶材。
I
2. 采用脉冲激光沉积(PLD)技术在 Si、石英, 铂金衬底上沉积 ZnO 及 ZnO: Cu
薄膜, 并利用 X 射线衍射(XRD)、光致发光(PL)、拉曼谱、X 射线光电子能谱(简称
XPS)、原子力显微镜(AFM)等表征手段对制备出的样品进行表征。结果表明采用激光技
术制备出 ZnO:Cu 薄膜结晶较好。为以后基于 ZnO 及 ZnO:Cu 的器件的制备和应用打下
了基础。
3. 利用脉冲激光技术利用脉冲激光沉积(PLD)技术在 FTO 导电玻璃和铂金衬底
上成功制备了 ZnO: Cu 薄膜, 利用 Keithley2400 对 Au/ ZnO: Cu/ FTO 和 Au/ ZnO: Cu/
Pt/Ti/SiO2/Si 三明治结构的电学特性进行了研究, 观测到明显的电阻开关效应的 I-V 特
征曲线。讨论了可能的导电机制

关键词:铜掺杂的氧化锌;光致发光;电阻开关;Au/ ZnO:Cu/ FTO;氧空位;势垒
宽度

II
ABSTRACT
In 2000, scientists S. Q. Liu et al at the University of Houston found the reversible resistance
switching effect induced by electrical impulses. They proposed the concept of RRAM (Resis