【摘要】：依賴于浮置柵極結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)存儲器件閃存受限于其物理本質(zhì)遭遇了發(fā)展瓶頸,為了滿足快速發(fā)展的信息存儲需求,新一代存儲器件的研發(fā)勢在必行。在目前科研人員關(guān)注的幾類新型存儲器中,阻變式隨機存儲器(RRAM)以其在器件結(jié)構(gòu)、存取速度、循環(huán)壽命等方面的獨特優(yōu)勢被認為是下一代存儲器件最有力的候選者之一。對于RRAM器件而言,阻變層材料對其性能有著很大的影響,多種材料體系的器件在不同的應(yīng)用領(lǐng)域具有特殊的潛力,其中有機-無機雜化鈣鈦礦材料具有制備工藝簡便、帶隙可調(diào)、光電響應(yīng)好等優(yōu)勢,對于阻變器件的多模式應(yīng)用、尤其是光電結(jié)合應(yīng)用具有重要的意義。因此,本文選用基于CH_3NH_3PbI_3(下文簡稱為MAPbI_3)材料的阻變器件,針對其阻變行為和性能優(yōu)化進行了以下研究:MAPbI_3阻變存儲器件制備及電學(xué)特性:(1)采用兩步法獲得穩(wěn)定MAPbI_3薄膜并以此制備Al/MAPbI_3/FTO結(jié)構(gòu)存儲器件,器件自限制穩(wěn)定循環(huán)、電阻轉(zhuǎn)變迅速(小于100ns);(2)研究了遞進幅值脈沖對器件電阻狀態(tài)的影響,通過控制脈沖幅值實現(xiàn)了器件電阻變化由數(shù)字式突變向模擬式緩變的轉(zhuǎn)換,器件阻態(tài)在50?至800?范圍內(nèi)可調(diào)節(jié),在神經(jīng)突觸仿生、記憶行為模擬等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用潛力;(3)研究了限制電流對器件保持特性的影響,通過施加不同大小的限制電流(5 mA-500μA)實現(xiàn)了器件保持時間的調(diào)控和阻變行為由非易失性向易失性的轉(zhuǎn)變,并在器件的易失性行為中發(fā)現(xiàn)了量子電導(dǎo)的現(xiàn)象,在高密度存儲、原子開關(guān)等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用潛力;(4)研究了器件的電阻轉(zhuǎn)換機制,通過I-V曲線擬合及變溫測試證明了器件電阻轉(zhuǎn)換的物理本質(zhì)是基于碘離子遷移的空位導(dǎo)電通道機制。MAPbI_3阻變存儲器件性能優(yōu)化方法:電激活過程中碘空位的過量產(chǎn)生及循環(huán)過程中碘空位通道的增殖,會對器件阻變性能產(chǎn)生極大的影響,針對以上兩方面問題,我們設(shè)計了可見光輔助的電激活過程和引入α-C阻擋層兩種方法對器件運行可靠性進行優(yōu)化。(1)通過使用可見光輔助的電激活過程方法,器件窗口值由7提升至20、功耗由17.95 mW降低至0.87 mW、阻態(tài)離散系數(shù)由23.02%/43.50%(HRS/LRS)降低至7.93%/20.08%。通過實驗驗證了阻變性能優(yōu)化的機制可以歸因于可見光輻照降低碘離子激活能(即降低形成電壓)對過充電流的抑制作用和光生載流子對寄生電容效應(yīng)的削弱作用;(2)通過引入α-C阻擋層的方法,器件窗口值由10提升至18、功耗由653μW降低至74μW、高阻態(tài)離散系數(shù)由48.92%降低至17.60%。通過實驗分析判斷器件優(yōu)化機制可以歸因于α-C阻擋層對碘揮發(fā)的抑制作用。
【圖文】：

動在產(chǎn)生定向電流的同時，也有部分能量較高的電子越過絕緣層并進入置柵極(即熱電子注入過程)，由于浮置柵極被絕緣層包裹，進入電極的電盡能量后會被限制其中，在通常情況下電荷可以保持數(shù)年不會逸散。浮的擦除過程可以使用類似的方法施加能量較高的電場使電子具有足夠的來完成。

神經(jīng)突觸學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用潛力[22]。這一發(fā)現(xiàn)激起了人們的熱情，后續(xù)研究者們發(fā)現(xiàn)在大量不同的材料體系中均存在著可應(yīng)用與存儲領(lǐng)域的阻變現(xiàn)象，并針對其應(yīng)用、原理、工業(yè)化集成等細分領(lǐng)域進行了一系列的研究[23]。如圖 1.2 所示，通常情況下阻變式隨機存儲器(RRAM)由金屬導(dǎo)體電極層/電介質(zhì)層(絕緣體或半導(dǎo)體)/金屬導(dǎo)體電極層的三層結(jié)構(gòu)組成。器件在電場作用下，初始態(tài)(InitiaState/IS)的電介質(zhì)層中形成的導(dǎo)電通路使得器件電阻值降低，器件轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)(LowResistance State/LRS) 并可以長期保持，這個過程稱為電激活過程 (ElectroforminProcess)；由于該導(dǎo)電通路的形成過程是可逆的，通過施加電場產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)可以部分斷開導(dǎo)電通路，使得器件轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)(High Resistance State/HRS)并可以長期保持這個過程稱之為關(guān)閉過程(Reset Process)；當再次對器件施加電場時，部分斷開的導(dǎo)電通路可以再次連接并使器件轉(zhuǎn)換為低阻態(tài)，稱之為開啟過程(Set Process)。在電激活過程和開啟過程中，為了防止流經(jīng)器件的電流過大進而擊穿器件，，通常會施加一個限制電流(Compliance Current/Ic)來保護器件。器件的高阻態(tài)、低阻態(tài)可以分別對應(yīng)邏輯 0、邏輯1兩種不同的狀態(tài)，而開啟過程和關(guān)閉過程則可以對應(yīng)寫入、擦除操作，從而實現(xiàn)基本的存儲功能。
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP333

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本文編號：2644121