多層膜結構的憶阻器材料及器件的設計和制備
發(fā)布時間：2021-06-11 08:05
憶阻器被認為是第四種電路基本元件,且被視為下一代非易失性存儲器件。同時,它能夠實現非易失性狀態(tài)邏輯運算和類腦神經形態(tài)計算,在提高計算性能和深化人工智能應用等方面具有重要意義。本文簡要介紹憶阻器的發(fā)展歷史和研究現狀,進一步介紹憶阻器的結構設計,電學性能檢測方法及材料表征等。研究了幾種以氧化鈰為基本功能層材料的多層膜結構的憶阻器的制備、電學性能、材料表征及阻變機理。主要研究內容如下:（1）Ag/Ti/CeO2/Pt器件既可以表現雙極性阻變（BRS）也可以表現出單極性阻變（URS）。在BRS中,器件具有低Set電壓（約0.3 V）和Reset電壓（約-0.1 V～-0.3V）,無Forming過程,限制電流(Icc)為1 mA,循環(huán)120次,器件性能穩(wěn)定,這利于其規(guī)�；瘧�。我們分析了其對數I-V特性曲線,結合透射電鏡表征,發(fā)現BRS時,器件的導電機理以價變化機制（ECM）為主。然后,我們加快了掃描速度并增大限制電流,獲得了單極性阻變現象,此時器件的導電機理以熱化學機制（TCM）為主。這表明,通過改變掃描速度和限制電流,器件的阻變特性也會發(fā)生改變。...
【文章來源】：桂林理工大學廣西壯族自治區(qū)
【文章頁數】：73 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
四種無源基本電路元件及其關系
桂林理工大學碩士學位論文6具有電阻轉變效應的材料和器件被包含到憶阻器的概念中，同時憶阻器的概念也在逐漸擴展，從無源憶阻器到有源憶阻器，再到記憶元件系統。目前尚沒有統一的理論可以解釋所有的憶阻現象，憶阻機理往往因為材料組成不同而發(fā)生變化�？傮w來說，可以將目前所提出的阻變機制分為界面效應和局域效應兩大類[20]。界面效應是指發(fā)生阻變區(qū)域在材料界面，其分布是均勻的，產生的原因可能是電極與阻變材料界面勢壘發(fā)生變化或者是材料體內的缺陷對電荷的捕獲和釋放過程引起的[21]，這類器件的高低阻態(tài)電阻和器件面積關系密切。而局域效應指材料內部區(qū)域發(fā)生阻變現象，材料內部形成導電能力較強的導電通道。已知各種各樣的物理現象，它們可以(原則上)導致非易失性憶阻效應。圖1-2憶阻器阻變機制的分類Fig.1-2Classificationofmemristorresistancechangemechanisms下面我們將結合文獻，簡要介紹電化學金屬化機制、價變化機制、熱化學機制及純電子效應。1.3.1電化學金屬化機制(ECM)導電細絲型憶阻器由頂電極為電化學活性的Ag或Cu等電極，中間介質層為固態(tài)電解質、氧化物、氮化物或者有機物，及惰性的底電極，如Pt、W、Au等組成[22-26]。
桂林理工大學碩士學位論文7圖1-3電化學導電模型示意圖Fig.1-3Schematicdiagramofelectrochemicalconductivitymodel下面我們將從微觀機制上解釋ECM器件阻變現象。一般來說，我們可以將ECM的阻變分為以下幾個過程：(i)活潑金屬(M)電極的氧化M→MZ++Ze-(ii)在電場作用下，陽離子穿過介質(iii)陽離子被還原MZ++Ze-→M假設M是唯一的移動元素，則步驟(ii)MZ+在固態(tài)介質中的遷移過程，可以由用于描述電場驅動離子運動的Mott和Gurney的模型來描述[27,28]。離子遷移的驅動力是電場強度E，電場強度E與穿過離子導電薄膜的電勢差Δ和薄膜的厚度又如下關系：=Δ∕。根據模型，離子電流密度i和電場強度E由下式給出：i=2secexp(0)sin(2)(1-10)其中c是遷移離子濃度，a為離子的跳躍距離，v為頻率因子。在高強度電場時(∕)，兩者近似成指數關系：i=exp(0)exp(2)(1-11)而對于低電場(∕)，則遵循定律：i=()22exp(0)()2(1-12)
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Coexistence of unipolar and bipolar modes in Ag/ZnO/Pt resistive switching memory with oxygen-vacancy and metal-Ag filaments[J]. 馬寒露,王中強,徐海陽,張磊,趙曉寧,韓曼舒,馬劍鋼,劉益春. Chinese Physics B. 2016(12)
[2]3D resistive RAM cell design for high-density storage class memory—a review[J]. Boris HUDEC,Chung-Wei HSU,I-Ting WANG,Wei-Li LAI,Che-Chia CHANG,Taifang WANG,Karol FRHLICH,Chia-Hua HO,Chen-Hsi LIN,Tuo-Hung HOU. Science China（Information Sciences）. 2016(06)
[3]具有多重陷阱能級的固體中的空間電荷限制電流[J]. 殷德生. 吉林大學自然科學學報. 1981(04)
本文編號：3224174
【文章來源】：桂林理工大學廣西壯族自治區(qū)
【文章頁數】：73 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
四種無源基本電路元件及其關系
桂林理工大學碩士學位論文6具有電阻轉變效應的材料和器件被包含到憶阻器的概念中，同時憶阻器的概念也在逐漸擴展，從無源憶阻器到有源憶阻器，再到記憶元件系統。目前尚沒有統一的理論可以解釋所有的憶阻現象，憶阻機理往往因為材料組成不同而發(fā)生變化�？傮w來說，可以將目前所提出的阻變機制分為界面效應和局域效應兩大類[20]。界面效應是指發(fā)生阻變區(qū)域在材料界面，其分布是均勻的，產生的原因可能是電極與阻變材料界面勢壘發(fā)生變化或者是材料體內的缺陷對電荷的捕獲和釋放過程引起的[21]，這類器件的高低阻態(tài)電阻和器件面積關系密切。而局域效應指材料內部區(qū)域發(fā)生阻變現象，材料內部形成導電能力較強的導電通道。已知各種各樣的物理現象，它們可以(原則上)導致非易失性憶阻效應。圖1-2憶阻器阻變機制的分類Fig.1-2Classificationofmemristorresistancechangemechanisms下面我們將結合文獻，簡要介紹電化學金屬化機制、價變化機制、熱化學機制及純電子效應。1.3.1電化學金屬化機制(ECM)導電細絲型憶阻器由頂電極為電化學活性的Ag或Cu等電極，中間介質層為固態(tài)電解質、氧化物、氮化物或者有機物，及惰性的底電極，如Pt、W、Au等組成[22-26]。
桂林理工大學碩士學位論文7圖1-3電化學導電模型示意圖Fig.1-3Schematicdiagramofelectrochemicalconductivitymodel下面我們將從微觀機制上解釋ECM器件阻變現象。一般來說，我們可以將ECM的阻變分為以下幾個過程：(i)活潑金屬(M)電極的氧化M→MZ++Ze-(ii)在電場作用下，陽離子穿過介質(iii)陽離子被還原MZ++Ze-→M假設M是唯一的移動元素，則步驟(ii)MZ+在固態(tài)介質中的遷移過程，可以由用于描述電場驅動離子運動的Mott和Gurney的模型來描述[27,28]。離子遷移的驅動力是電場強度E，電場強度E與穿過離子導電薄膜的電勢差Δ和薄膜的厚度又如下關系：=Δ∕。根據模型，離子電流密度i和電場強度E由下式給出：i=2secexp(0)sin(2)(1-10)其中c是遷移離子濃度，a為離子的跳躍距離，v為頻率因子。在高強度電場時(∕)，兩者近似成指數關系：i=exp(0)exp(2)(1-11)而對于低電場(∕)，則遵循定律：i=()22exp(0)()2(1-12)
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Coexistence of unipolar and bipolar modes in Ag/ZnO/Pt resistive switching memory with oxygen-vacancy and metal-Ag filaments[J]. 馬寒露,王中強,徐海陽,張磊,趙曉寧,韓曼舒,馬劍鋼,劉益春. Chinese Physics B. 2016(12)
[2]3D resistive RAM cell design for high-density storage class memory—a review[J]. Boris HUDEC,Chung-Wei HSU,I-Ting WANG,Wei-Li LAI,Che-Chia CHANG,Taifang WANG,Karol FRHLICH,Chia-Hua HO,Chen-Hsi LIN,Tuo-Hung HOU. Science China（Information Sciences）. 2016(06)
[3]具有多重陷阱能級的固體中的空間電荷限制電流[J]. 殷德生. 吉林大學自然科學學報. 1981(04)
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