盧鋐霖、陳昱錡、陳睿遠 / 國立聯合大學材料科學工程學系
本研究探討磷酸鹽半導體玻璃應用於電阻式記憶體(RRAM)中間層的可能性。製備以(50-x)% V2O5~50% P2O5為基礎，摻雜x%MO（MO = ZnO、CaO、Na2O）的玻璃。XRD顯示ZnO與CaO系列為非晶態，Na2O系列則為結晶。DSC顯示玻璃轉化溫度Tg約在200˚C附近。以XPS分析ZnO玻璃內部V元素主要呈+4價和+5價，提供具有極化子傳導機制的證據。電性量測顯示ZnO系列電性較佳。進一步製備奈米元件並測試，證實其具有RRAM的電阻開關特性，透過擬合分析揭示傳導機制包含陷阱輔助穿隧、空間電荷限制電流或歐姆傳導。其電阻轉態機制結合了玻璃本身的極化子傳導與RRAM的導電絲形成理論。本研究證實磷酸鹽半導體玻璃作為RRAM的潛力，不僅拓展了半導體玻璃材料在電子元件領域的應用範圍，並為未來開發全玻璃透明RRAM元件奠定基礎。
【內文精選】
研究成果與討論
3. 穿透式電子顯微鏡(TEM)和能量色散X射線譜(EDS)分析
為了觀察玻璃樣品的微觀結構和確認內部元素的分布均勻性，我們利用聚焦離子束系統(FIB)從微米級元件上切割出奈米厚度（約150 nm）的玻璃薄片，隨後使用穿透式電子顯微鏡(TEM)進行微觀結構成像，如圖五(a)所示。從圖五(b)高倍率的TEM觀察結果顯示，選定的ZnO系列玻璃薄片內部沒有觀察到明顯的晶體或雜質析出。儘管在高能量電子束照射下出現了電子輻射損傷，但繞射影像及透過傅立葉轉換得到的繞射影像，皆為繞射環而沒有出現清晰的繞射點（圖五(c)），進一步證實了樣品為非晶態玻璃結構，與XRD分析結果一致。此外，我們使用能量色散X射線譜(EDS)進行Point分析，以提供各元素的原子百分比數據，圖五(d)為FIB切片後的STEM影像，圖五(e)則為其放大影像，標示的數字對應Point分析的位置。將實際測量的原子百分比與根據配方計算的理論值進行對比，雖然存在一些差異，但整體而言，EDS分析確認了元素的均勻分布，並與玻璃熔製配方基本一致，而些許的差異推測是由於拍攝時受到電子輻射損傷而有部份氧的溢失。
圖五、非晶鋅摻雜磷酸鹽玻璃的TEM影像及成分分析
4. 奈米元件製備及阻變行為
為了更接近典型電阻式記憶體(RRAM)氧化物薄膜的實際應用情境，我們使用聚焦離子束系統(FIB)製備奈米尺寸的玻璃薄片，並在薄片的兩側分別沉積鉑(Pt)電極，如此可以避免單側FIB濺鍍電極時，Pt易噴濺使表面產生奈米Pt島，進而影響電性量測準確性的問題。形成的Pt/ZnO-V2O5-P2O5/Pt的電極–玻璃–電極元件，最後連接至外部鋁電極上，如圖七(a)所示。Pt電極交錯的部分截面積約200 nm × 200 nm，其中的中間玻璃薄片厚度約為150 nm，上視圖及傾角SEM影像如圖七(b-c)所示，而示意圖如圖七(d)所示，能清楚瞭解奈米元件的透視結構---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖七、非晶鋅摻雜磷酸鹽奈米玻璃元件SEM影像及其示意圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》467期，更多資料請見下方附檔。