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研究生:謝仁益
研究生(外文):JEN-YI HSIEH
論文名稱:以外加直流偏壓的阻抗頻譜研究碳/氧化鋅/碳結構之電阻轉換特性
論文名稱(外文):Study of the C/ZnO/C resistvie switching effect by bias-dependent impedance spectroscopy
指導教授:黃建華黃建華引用關係
指導教授(外文):GAIN-HWA HWANG
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄師範大學
系所名稱:物理學系
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:55
中文關鍵詞:電阻式隨機存取記憶體氧化鋅偏壓阻抗
外文關鍵詞:resistive random access memory(RRAM)ZnOAlbias-dependent impedance
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本研究中,將探討鋁/碳/氧化鋅/碳/鋁RRAM的電阻開關效應。然後以變溫、添加氧氣與否製作出6種樣品,並以外加偏壓方式測量阻抗,探討外加偏壓對其等效電路中電容及電阻的影響。結果發現到碳層能有效的幫助電極和氧化鋅間的氧化還原反應,然而過高的製程環境溫度可能導致碳層擴散至氧化鋅內部,導致RRAM的可開關次數下降。証實了氧氣、碳層與溫度對RRAM的重大影響,且外加偏壓能檢測薄膜的可靠度。
We investigated the effects on resistive switching in Al/ZnO/Al devices with different growth temperatures. The effects of C inserted layers under different oxygen pressure on RRAM processes were studied by bias-dependent impedance spectroscopy. Based on further analysis on the bias-dependent capacitance and resistive parameters, we observed C inserted layers can promote the repeatable redox reaction between the electrode and the ZnO layer. However, the possible diffusion of C into ZnO while C inserted layer is grown at higher temperature decreases the RS effect. We also demonstrated the bias-dependent impedance analysis technique can be used to detect the reliability of the film.
目 錄
誌謝.......................................................i
中文摘要...................................................ii
英文摘要..................................................iii
目錄......................................................iv
圖目錄....................................................vi
表目錄..................................................viii
第 一 章 緒論
1.1 前言...............................................1
1.2 研究目的與動機......................................2
第 二 章 理論分析
2.1 RRAM介紹...........................................3
2.2 操作機制............................................4
2.3 介電層導電機制.......................................5
2.4 電阻轉換機制─燈絲理論.................................6
2.5 文獻回顧............................................7
第 三 章 實驗步驟
3.1 樣品製備...........................................16
3.2 樣品的XRD圖........................................18
第 四 章 結果與分析
4.1 直流電性量測.......................................19
4.1-1 室溫無氧RRAM的I-V特性...............................20
4.1-2 200℃無氧RRAM的I-V特性.............................23
4.1-3 300℃無氧RRAM的I-V特性.............................26
4.1-4 室溫有氧RRAM的I-V特性...............................29
4.1-5 200℃有氧RRAM的I-V特性.............................32
4.1-6 300℃有氧RRAM的I-V特性.............................35
4.2 外加直流偏壓的阻抗量測...............................39
4.2-1 RRAM的HRS阻抗.....................................44
4.2-2 RRAM的LRS阻抗.....................................48
第 五 章 結論..............................................52
參考與引用資料

圖 目 錄

圖2-1  RRAM結構圖.........................................3
圖2-2  單極性與雙極性 Log(I-V)曲線.........................................................4
圖2-3  電阻轉換機制模型.....................................6
圖2-4  RRAM元件的Forming、Set、Reset操作之I-V曲線圖..........7
圖2-5  RRAM的Log(I)-Log(V)圖..............................8
圖2-6 退火及冷卻後石墨烯形成示意圖...........................9
圖2-7 200,250和300℃退火的MTJ之CI圖......................10
圖2-8 鈷鐵(5%)摻雜氧化鋅薄膜的擬合結果.....................13
圖2-9 鈷鐵(10%)摻雜氧化鋅薄膜的擬合結果....................14
圖2-10 鈷鐵(10%)摻雜氧化鋅薄膜施加偏壓後的結果...............15
圖3-1  樣品結構示意圖......................................16
圖3-2  Al/C/ZnO/C/Al結構的RRAM完成品......................17
圖3-3 六種樣品的XRD圖....................................18
圖4-1  室溫無氧碳1nm厚度RRAM之I-V曲線.......................20
圖4-2  室溫無氧碳1nm厚度RRAM之Log(I)-Log(V)曲線.............21
圖4-3 室溫無氧碳1nm厚度RRAM樣品點之I-V曲線.................22
圖4-4 200℃無氧碳1nm厚度RRAM之I-V曲線.....................23
圖4-5  200℃無氧碳1nm厚度RRAM之Log(I)-Log(V)曲線...........24
圖4-6 200℃無氧碳1nmRRAM樣品點之I-V曲線....................25
圖4-7  300℃無氧碳1nm厚度RRAM之I-V曲線.....................26
圖4-8  300℃無氧碳1nm厚度RRAM之Log(I)-Log(V)曲線...........27
圖4-9 300℃無氧碳1nmRRAM樣品點之I-V曲線....................28
圖4-10 室溫有氧碳1nm厚度RRAM之I-V曲線.......................29
圖4-11 室溫有氧碳1nm厚度RRAM之Log(I)-Log(V)曲線.............30
圖4-12 室溫有氧碳1nmRRAM樣品點之I-V曲線.....................31
圖4-13 200℃有氧碳1nm厚度RRAM之I-V曲線.....................32
圖4-14 200℃有氧碳1nm厚度RRAM之Log(I)-Log(V)曲線...........33
圖4-15 200℃有氧碳1nmRRAM樣品點之I-V曲線....................34
圖4-16 300℃有氧碳1nm厚度RRAM之I-V曲線.....................35
圖4-17 300℃有氧碳1nm厚度RRAM之Log(I)-Log(V)曲線...........36
圖4-18 300℃有氧碳1nmRRAM樣品點之I-V曲線....................37
圖4-19 室溫有氧RRAM的內部界面分析示意圖......................40
圖4-20 室溫無氧高低電阻變化圖...............................41
圖4-21 室溫有氧高低電阻變化圖...............................42
圖4-22 200℃有氧高低電阻變化圖..............................43
圖4-23 RRAM的HRS阻抗.....................................44
圖4-24 室溫無氧HRS的偏壓變化圖..............................45
圖4-25 室溫有氧HRS的偏壓變化圖..............................45
圖4-26 200℃有氧HRS的偏壓變化圖............................45
圖4-27 電荷漏電示意圖......................................47
圖4-28 RRAM的LRS阻抗.....................................48
圖4-29 室溫無氧LRS的偏壓變化圖..............................49
圖4-30 室溫有氧LRS的偏壓變化圖..............................49
圖4-31 200℃有氧LRS的偏壓變化圖............................49
圖5-1 室溫無氧RRAM示意圖..................................52
圖5-2 室溫有氧RRAM示意圖..................................53
圖5-3 200℃有氧RRAM示意圖................................54

表 目 錄

表2-1 等效電路擬合參數......................................11
表3-1 樣品製成條件列表......................................17
表4-1 直流量測結果整理表....................................38
表4-2 室溫無氧HRS等效電路擬合參數...........................46
表4-3 室溫有氧HRS等效電路擬合參數...........................46
表4-4 200℃有氧HRS等效電路擬合參數..........................46
表4-5 室溫無氧LRS等效電路擬合參數...........................50
表4-6 室溫有氧LRS等效電路擬合參數...........................50
表4-7 200℃有氧LRS等效電路擬合參數..........................50
表5-1 三種樣品之比較.......................................55

[1]「工研院RRAM研發成果獲國際電子元件研討會肯定」,CTIMES新聞
陳盈佑 報導,2008年09月22日。
http://www.ctimes.com.tw/DispNews/tw/RRAM/%E5%B7%A5%E7%A0%94%E9%99%A2/%E8%A8%98%E6%86%B6%E5%85%83%E4%BB%B6/0809221458NM.shtml
[2] 「垂直式自旋磁性記憶體技術」,文/魏茂國,工研院電子報,第10208期,2013年08月20日。
http://edm.itri.org.tw/enews/epaper/10208/b01.htm
[3] Jian Zhang,Hui Yang, Qi-long Zhang, Shurong Dong, and J. K. Luo “Bipolar resistive switching characteristics of low temperature grown ZnO thin films by plasma-enhanced atomic layer deposition ,”Applied Physics Letters, 012113 (2013)。
[4] Maxwell Zheng,Kuniharu Takei,Benjamin Hsia, Hui Fang,Xiaobo Zhang,
Nicola Ferralis,Hyunhyub Ko,Yu-Lun Chueh,Yuegang Zhang,Roya Maboudian
and Ali Javey
“Metal-catalyzed crystallization of amorphous carbon to graphene” Applied Physics Letters 96, 063110 (2010)。
[5] J. C. A. Huang, C. Y. Hsu, W. H. Chen, and Y. H. Lee
“Study of the Insulating Layer and Interfaces of MgO-Based Magnetic Tunnel Junctions by Impedance and Capacitance Spectra” IEEE Transactions on Magnetics, Vol.43, No.2, February 2007。
[6] J. C. A. Huang and H. S. Hsu
“Inspection of magnetic semiconductor and clustering structure in CoFe-doped ZnO films by bias-dependent impedance spectroscopy”Applied Physics Letters 87, 132503 (2005) 。
[7] 陳斯偉碩士(2013)。《碳-氧化鋅-碳三層膜之電阻轉換特性研究》。國立屏東教育大學應用物理系暨光電材料碩士班碩士論文,未出版,屏東市。
[8] 楊承鷹碩士(2014)。《變溫環境成長的CZnOC三層膜RRAM電性研究》。國立屏東教育大學應用物理系暨光電材料碩士班碩士論文,未出版,屏東市。

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