Mg-,x-Zn-,1-x-O薄膜的制備、物性及新型光電、存儲(chǔ)器件研究.pdf

1、本論文采用sol—gel法制備了MgxZn1-xO薄膜，研究了薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能和電學(xué)性能，以此為基礎(chǔ)，開展了p—NiO/n—MgxZn1-xO異質(zhì)結(jié)的制備及其光電性能研究，探索了MgxZn1-xO薄膜的電阻開關(guān)性質(zhì)，研究了采用異質(zhì)p—n結(jié)調(diào)整薄膜電阻開關(guān)性質(zhì)的途徑，為MgxZn1-xO薄膜的存儲(chǔ)器件應(yīng)用進(jìn)行了有益的嘗試。主要內(nèi)容如下： (1)采用sol—gel法制備了Mg摻雜的ZnO(MgxZn1-xO)薄膜，從而實(shí)現(xiàn)Z

2、nO禁帶寬度的人工調(diào)制—即“能帶工程”，研究了Mg含量的變化對晶體結(jié)構(gòu)和光電性能的影響。Mg摻雜會(huì)引起ZnO的c軸晶格常數(shù)的畸變，當(dāng)x≤0.2時(shí)，薄膜能夠維持ZnO的六方相纖鋅礦結(jié)構(gòu)。其間，c軸晶格常數(shù)符合Vegard定律，其禁帶寬度與x也呈線性關(guān)系。MgxZn1-xO薄膜的PL譜表明，少量的Mg摻雜有利于提高薄膜的NBE發(fā)射強(qiáng)度。ITO導(dǎo)電玻璃襯底上MgxZn1-xO薄膜的I—V特性研究表明，由于Mg與Zn電負(fù)性的差別及Mg—O鍵的引

3、入，Mg摻雜能夠減少薄膜中的氧空位濃度，從而減少薄膜中的載流子濃度，降低漏電流。 (2)詳細(xì)研究了MgxZn1-xO(x=0～0.2)薄膜在Pt/TiO2/SiO2/Si襯底上的結(jié)構(gòu)特征和晶格振動(dòng)特性。由于Pt(111)與ZnO(002)兩晶面之間的失配率較小，Pt/TiO2/SiO2/Si襯底上生長的薄膜具有高度c軸取向。MgxZn1-xO(x<0.2)薄膜Raman譜的E2high振動(dòng)模由于“合金效應(yīng)”，出現(xiàn)非對稱性寬化。而

4、纖鋅礦結(jié)構(gòu)MgxZn1-xO(x<0.2)薄膜Raman譜的LO振動(dòng)模符合MREI模型的理論描述，隨x的增加，LO的Raman頻率線性藍(lán)移：ω—LO(x，cm-1)=575.4+128(±3.18)x，這種變化關(guān)系也證實(shí)了Mg摻雜對Zn—O鍵性能的影響。 (3)通過n—MgxZn1-xO薄膜與p—NiO薄膜的結(jié)合，采用sol—gel工藝在ITO玻璃等襯底上制備了相應(yīng)的透明異質(zhì)p—n結(jié)。利用XPS技術(shù)對Si襯底上NiO/ZnO異質(zhì)

5、結(jié)的價(jià)帶偏移測試表明，ZnO的價(jià)帶及導(dǎo)帶能級(jí)均位于NiO的價(jià)帶及導(dǎo)帶能級(jí)下，兩者之間的價(jià)帶和導(dǎo)帶的偏移量分別2.37eV和2.70eV，同時(shí)異質(zhì)結(jié)界面形成Ⅱ型的能帶連接結(jié)構(gòu)。NiO/MgxZn1-xO(x=0～0.2)異質(zhì)結(jié)在可見光區(qū)具有較高的光學(xué)透過率，且均具有整流效應(yīng)，這也說明p—n結(jié)的形成。同時(shí)這種異質(zhì)p—n結(jié)的光電性能可通過n—MgxZn1-xO的“能帶工程”而調(diào)節(jié)：隨著Mg含量的增加，p—NiO/n—MgxZn1-xO異質(zhì)結(jié)的

6、禁帶寬度展寬，反向擊穿電壓升高，漏電流逐步降低。通過制備Mg成分梯度變化的n型電導(dǎo)層而構(gòu)筑的p—n異質(zhì)結(jié)，由于空間靜電場的存在，影響載流子的分布和運(yùn)輸，從而減小了異質(zhì)結(jié)的漏電流及反向飽和電流，且提高了p—n結(jié)的反向擊穿電壓。 (4)采用sol—gel法在Pt/TiO2/SiO2/Si襯底上制備了高M(jìn)g含量摻雜的MgxZn1-xO薄膜，這種薄膜具有類尖晶石礦結(jié)構(gòu)。通過電流脈沖的作用，能夠使具有不同相結(jié)構(gòu)的MgxZn1-xO薄膜器件

7、在小于1V的電壓下實(shí)現(xiàn)高阻態(tài)和低阻態(tài)之間的重復(fù)、穩(wěn)定轉(zhuǎn)換，表現(xiàn)出較好的單極性電阻開關(guān)效應(yīng)。Pt/MgxZn1-xO/Pt薄膜器件的電阻開關(guān)性能具有明顯的Mg含量依賴性。Pt/Mg0.2Zn0.80/Pt薄膜器件的初始化閾值電流脈沖(ID)為30mA，高、低阻態(tài)的電阻比(RH/L)約為25。隨著Mg摻雜量的增加，薄膜器件的開關(guān)性質(zhì)得到優(yōu)化，如Pt/Mg0.8Zn0.2O/Pt的初始化閾值電流脈沖為0.3mA，電阻比RH/L達(dá)109量級(jí)。這

8、種超高的RH/L有利于提高器件的信噪比。這種成分的依賴性可歸結(jié)于高M(jìn)g摻雜引起的相結(jié)構(gòu)變化及薄膜載流子濃度的降低。由于Pt/MgxZn1-xO/Pt器件的Reset電壓均小于1V，且開關(guān)過程相對比較簡單，便于控制，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用要求，在未來高密度存儲(chǔ)器件競爭中頗具潛力。 (5)Pt/MgxZn1-xO/Pt薄膜器件的單極性電阻開關(guān)效應(yīng)可用導(dǎo)電絲模型和空間電荷限制電流模型(SCLC)進(jìn)行解釋：電流脈沖對器件初始化的過程導(dǎo)致金屬態(tài)

9、導(dǎo)電絲的形成，從而使器件處于低阻態(tài)，表現(xiàn)出歐姆電導(dǎo)性質(zhì)；而導(dǎo)電絲由于微區(qū)焦耳熱效應(yīng)或氧化導(dǎo)致斷裂，器件呈高阻態(tài)，其電導(dǎo)表現(xiàn)為SCLC，由薄膜本身的性質(zhì)主導(dǎo)。 (6)研究了Pt/TiO2/SiO2/Si襯底上NiO/Mg0.6Zn0.4O異質(zhì)結(jié)的開關(guān)特性。由于界面處p—n結(jié)的形成，異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出較好的整流特性。與單獨(dú)的Pt/NiO/Pt和Pt/Mg0.6Zn0.4O/Pt器件相比，Pt/NiO/Mg0.6Zn0.4O/Pt異質(zhì)結(jié)器件

10、的電阻開關(guān)特性得到明顯改善，主要體現(xiàn)在：在保證較高RH/L(107)的同時(shí)，開關(guān)電壓—VReset分布在0.55～0.62V，減弱了VReset的發(fā)散程度；同時(shí)，極大的減小了初始化器件所需的閾值電流脈沖，ID=1μA。異質(zhì)結(jié)開關(guān)性能的改善可以歸結(jié)于異質(zhì)結(jié)界面缺陷對開關(guān)過程及載流子運(yùn)輸?shù)挠绊憽?以上研究充分表明了MgxZn1-xO薄膜具有非常優(yōu)異的光電性能，在未來的光電器件中具有廣闊的應(yīng)用空間。同時(shí)，基于MgxZn1-xO薄膜器件