【摘要】：基于電致阻變效應(yīng)的非易失性存儲(chǔ)器由于具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、高密度、低功耗、耐久性、快速讀寫(xiě)、與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝兼容及良好的擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn),被視為最有應(yīng)用前景的下一代非易失性存儲(chǔ)器,在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界引起了極大的關(guān)注,但是,目前阻變效應(yīng)的物理機(jī)制依然存在著廣泛的爭(zhēng)議。阻變效應(yīng)分為界面型阻變和通道型阻變。關(guān)于通道型阻變,人們利用電子顯微鏡、能譜分析、光譜學(xué)分析、形貌分析等多種先進(jìn)技術(shù),證實(shí)了導(dǎo)電通道的存在,并研究了導(dǎo)電通道的成分。但是,受限于金屬電極對(duì)阻變介質(zhì)層的遮擋、阻變發(fā)生在納米尺寸的范圍、阻變過(guò)程涉及復(fù)雜的離子遷移動(dòng)力學(xué)過(guò)程等方面的研究困難,人們對(duì)阻變過(guò)程中導(dǎo)電通道的一些關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題還沒(méi)有研究清楚,例如導(dǎo)電通道形成和熔斷的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,阻變過(guò)程中導(dǎo)電通道的結(jié)構(gòu)和成分的動(dòng)態(tài)變化等。針對(duì)上述問(wèn)題,本論文利用電致發(fā)光技術(shù)原位非破壞地研究了氧化物阻變效應(yīng)中導(dǎo)電通道的動(dòng)力學(xué)行為,包括單極阻變Pt/NiO/Pt結(jié)構(gòu)和雙極阻變ITO/TiO_2/ITO/Au結(jié)構(gòu),取得的主要進(jìn)展包括:(1)制備了具有穩(wěn)定單極阻變性能的Pt/NiO/Pt結(jié)構(gòu),利用電致發(fā)光技術(shù)非破壞性地研究了導(dǎo)電通道的演化過(guò)程,闡明了導(dǎo)電通道的隨機(jī)生成和化學(xué)成分變化是引起阻變參數(shù)漲落的主要原因;發(fā)現(xiàn)阻變過(guò)程中的電致發(fā)光來(lái)自于NiO中氧空位相關(guān)缺陷能級(jí)的輻射躍遷,而不是熱致輻射效應(yīng);揭示了阻變過(guò)程中導(dǎo)電通道微結(jié)構(gòu)成分的演化過(guò)程,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電通道形成后其成分仍然會(huì)發(fā)生變化;證實(shí)了阻變效應(yīng)發(fā)生在導(dǎo)電通道陽(yáng)極一側(cè)。(2)制備了具有穩(wěn)定雙極阻變性能的ITO/TiO_2/ITO/Au結(jié)構(gòu),利用電致發(fā)光技術(shù)研究了阻變過(guò)程載流子的輸運(yùn)機(jī)制和導(dǎo)電通道的原位演化過(guò)程,發(fā)現(xiàn)正、負(fù)向電場(chǎng)下導(dǎo)電通道空間位置的變化是阻變參數(shù)漲落的主要原因;揭示了阻變過(guò)程導(dǎo)電通道中化合物成分的演化過(guò)程,發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電通道阻變區(qū)域的穩(wěn)定成分;發(fā)現(xiàn)熱處理可以改變導(dǎo)電通道微結(jié)構(gòu)和成分的分布,并證實(shí)了雙極阻變發(fā)生在導(dǎo)電通道陰極一側(cè)。(3)研究了雙極型ITO/Cu_3N/ITO/Au結(jié)構(gòu)的阻變特性,觀測(cè)到反常的阻變效應(yīng),通過(guò)改進(jìn)制備工藝,改善了樣品的阻變性能。研究了單極型Pt/ZnO/Pt結(jié)構(gòu)在阻變過(guò)程中導(dǎo)電通道的電致發(fā)光行為,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電通道的形成和熔斷導(dǎo)致了樣品高低阻態(tài)的轉(zhuǎn)變。
【圖文】：

能的比較(17)。在這些新興的存儲(chǔ)技術(shù)中，，鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器和臨著尺寸小型化的問(wèn)題；相變存儲(chǔ)器在非晶相和晶相轉(zhuǎn)換過(guò)程問(wèn)題。其中，阻變存儲(chǔ)器展現(xiàn)出優(yōu)異的小型化優(yōu)勢(shì)（尺寸小于操作速度（響應(yīng)時(shí)間小于納秒級(jí)）(19, 20)，低能耗（能耗小于的耐久性（循環(huán)次數(shù)大于 1012）(12)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體性能。因此，阻變存儲(chǔ)器被視為最有應(yīng)用前景的下一代非易失互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器和閃存等三端存儲(chǔ)器是簡(jiǎn)單的金屬/氧化物/金屬兩端存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)，這使得它能夠，如圖 1.1。這種字線/位線的致密堆積允許 4F2的極小集成刻的最小尺寸大小(23)。通過(guò)把器件進(jìn)行垂直方向的堆垛，器步減小到 4F2/n(n 是交叉開(kāi)關(guān)陣列垂直方向堆垛的層數(shù))(24)。表 1. 1 不同非易失性存儲(chǔ)設(shè)備性能的比較(17)

的發(fā)展歷史和定義機(jī)存儲(chǔ)器（RRAM）的物理原理是電阻開(kāi)關(guān)效應(yīng)，是指在外以在高、低阻態(tài)間可逆轉(zhuǎn)變。1962 年，Hickmott 等人首次在2O5、ZrO2和 TiO2等二元氧化物中觀察到了阻變現(xiàn)象(25)， 2報(bào)道了在巨磁阻薄膜中觀測(cè)到了阻變現(xiàn)象，提出了基于阻變的應(yīng)用(26)。兩年后，夏普公司和休斯頓大學(xué)在 Pr0.7Ca0.3M 64-bit 的 RRAM 陣列(27)。在 2004 至 2007 年間，Samsung 和現(xiàn)了 3DRRAM 陣列的集成，極大地推進(jìn)了 RRAM 的應(yīng)用進(jìn)首次提出了 RRAM 可應(yīng)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和邏輯電路中(8)，掀。在接下來(lái)的 9 年里，無(wú)論在學(xué)術(shù)研究還是工業(yè)應(yīng)用，對(duì)阻了極大的進(jìn)展， UnitySemiconductor 公司成功制造了 64-M29)，SanDisk 公司制造出了 32-Gbit 雙層交叉式 RRAM 測(cè)試芯
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：O611.62

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本文編號(hào)：2650884