氧化镍溶胶-凝胶薄膜阻变特性研究

　　用溶胶- 凝胶法在ITO 基片上旋涂制备了NiO 薄膜，通过对ITO/ NiO薄膜/GaIn器件进行伏安特性测试，研究了溶胶浓度、退火、层数以及Cu 掺杂等对其电学特性的影响。结果表明：所制备NiO 薄膜具有良好可重复双极电阻开关特性。其中，2%Cu 掺杂0.2 mol/ L 溶胶、双层、400℃退火1 h 制备的薄膜，阈值电压较低，约0.8 V；而开关比受以上因素影响不明显，约3 × 10²。分析发现薄膜高阻态的荷电输运符合空间电荷限制导电机制，而低阻态为欧姆特性，阻变开关机理为阈值电场及焦耳热导致的氧空位细丝的形成与断裂。

　　随着集成电路存储技术的快速发展，兼具非挥发性和高速度的新型存储器显得越来越重要。其中，基于阻态转换的阻变存储器由于功耗低、存储密度大以及与传统CMOS 工艺兼容性好等优势而广泛应用。阻变特性是1962 年Hickmott等研究Al/Al2O3/Al 结构时首次发现的，随后在ZrO2，NiO，TiO2，CuO，VO2 等材料中也观察到电阻开关现象，其中NiO 薄膜由于电阻率高、开关可重复性好以及阻值窗口大等优点而成为众多阻变材料中的研究热点。如Park 等通过磁控溅射法制备了NiO薄膜，发现器件电极不同其开关极性也不同；文献磁控溅射制备了NiO 薄膜，发现导电细丝形成电压及断裂与场强有关;Hwang 等磁控溅射沉积了n-TiO/ p-NiO 薄膜，其开关比高达106;Lee 等反应离子溅射沉积了NiO 薄膜，发现开关阈值电压随氧分压增加而减小；文献用电化学沉积法制备了NiO 薄膜，发现Li 掺杂可以提高开关稳定性，而对开关比及阈值电压影响不大。溶胶凝胶法工艺简单，Giri 等用提拉法制备了NiO 薄膜，20 K 下其开关比在达107；包定华等用溶胶旋涂法制备了NiO/ MgxZn1- xO 薄膜，发现p-n 异质结结构可极大提高薄膜开关比( >10⁶) 。研究发现小剂量Cu 掺杂可提高ZnO 薄膜的导电性，但对NiO 薄膜特性的影响尚未研究，特别是溶胶浓度、低温退火等对NiO薄膜阻变特性的影响未见报道。

　　本文利用溶胶凝胶旋涂技术制备了NiO 薄膜,研究了溶胶浓度、薄膜层数、退火条件及Cu 掺杂对其电阻开关特性的影响，并对其导电机制与开关机理进行了分析讨论。

　　本文研究了溶胶浓度、薄膜层数、退火条件及Cu 掺杂等因素对溶胶-凝胶旋涂制备NiO 薄膜阻变开关特性的影响，结果表明: ¹ 所制备薄膜呈非晶态，具有很好的可重复双极电阻开关特性。开关阈值电压随溶胶浓度、薄膜层数及退火温度增加近乎线性增加。少量Cu 离子替位掺杂可增加氧空位浓度，使开关阈值电压减小；大量Cu 离子掺杂导致缺陷密度增加，阻碍氧离子迁移使氧空位浓度降低进而使阈值电压增大。»薄膜高阻态荷电输运为空间电荷限制导电，低阻态呈典型欧姆传导，开关机理为阈值电场及焦耳热所致氧空位导电细丝的形成与断裂。总之，通过改变工艺参数可有效调节NiO 薄膜氧空位浓度与迁移，进而显著降低开关阈值电压，但其阻变机理不变，平均开关比均在10³ 以下。