外延生长二氧化铈薄膜及其阻变性能研究

【摘要】CeO2是最受广泛关注的稀土氧化物材料之一,在微电子、缓冲层材料、催化剂、气敏传感器等诸多领域有着广阔的应用前景。本论文采用激光分子束外延(LMBE)和磁控溅射(MS)在不同衬底上制备了CeO2薄膜,利用RHEED.HRXRD.HRTEM.XPS等手段对薄膜进行了表征和分析。并通过光刻、离子刻蚀等微电子加工工艺制备了相应原型器件,研究了CeO2用作阻变存储材料的基本性能。具体内容如下：(1)在SrTiO3(100)衬底上沉积了CeO2薄膜。研究发现,生长温度和脉冲激光能量对薄膜的外延生长具有重要影响,实验探索了在STO衬底上获得高质量外延CeO2薄膜的最佳工艺参数。通过表征发现,所制备的外延薄膜呈高度(100)取向,薄膜以二维模式生长,表面光滑、原子排列有序；薄膜与衬底之间的匹配关系为Ce02(100)//STO(100),CeO2[110]//STO[100]。XPS分析发现,外延薄膜中Ce3+和Ce4+共存,存在一定量的氧空位。另外,实验发现氧气气氛下的快速退火处理能减少薄膜中的氧空位,有利于晶体质量的进一步提高。(2)在YSZ(100)衬底上沉积了CeO2薄膜。探索了YSZ衬底上获得高质量外延CeO2薄膜的最佳工艺参数。通过表征发现,所制备的外延薄膜呈高度(100)取向,薄膜以二维模式生长,表面光滑,粗糙度较小。薄膜与衬底之间的匹配关系为CeO2(100)//YSZ(100),CeO2[100]//YSZ[100]。(3)在Nb-dopedSrTiO3(100)衬底上外延生长了CeO2薄膜,并通过后续工艺制备出Au/epi-CeO2/NSTO阻变存储原型器件。通过X射线衍射和高分辨透射电镜对其晶体结构进行了表征,结果表明薄膜呈高度外延取向。电学性能测试显示该器件具有优异的阻变存储性能,开关比较大,离散性较小,可重复性和数据保持能力良好。进一步的实验及分析证明该器件的阻变效应属于界面阻变机制且来源于CeO2/NSTO界面。载流子的捕获/释放以及氧空位的运动是高低阻态转变的主要原因。(4)采用磁控溅射技术分别制备了Ag/CeO2/Pt和Ag/Dy2O3-dopedCeO2/Pt阻变存储原型器件,研究了Dy2O3掺杂对器件阻变性能的影响。实验发现,掺杂器件表现出更为优异的阻变性能,转变电压减小,一致性提高。器件的转变机制为导电细丝控制的阻值转变,高低阻态比值较大,耐久性和数据保持特性良好。
【作者】张俊；
【导师】杨志民；
【作者基本信息】北京有色金属研究总院，材料科学与工程，2014，硕士
【关键词】CeO2；LMBE；外延生长；阻变存储；转变机制；

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