【摘要】：基于電荷存儲(chǔ)機(jī)制的Flash存儲(chǔ)器隨器件尺寸的縮小遇到嚴(yán)重的物理和技術(shù)的瓶頸,無(wú)法滿(mǎn)足信息技術(shù)迅速發(fā)展的需要,因此尋找一種高密度、非揮發(fā)性、低能耗的下一代新型存儲(chǔ)技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫。許多新的非易失性存儲(chǔ)器件應(yīng)運(yùn)而生,其中包括巨磁電阻存儲(chǔ)器、鐵電存儲(chǔ)器、聚合體存儲(chǔ)器和電阻存儲(chǔ)器。其中“阻變存儲(chǔ)器”(RRAM)的發(fā)展引人注目,它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造成本低,功耗低,可快速讀寫(xiě),單個(gè)器件可縮小至數(shù)十納米等特點(diǎn)。在眾多的絕緣材料如二元氧化物、復(fù)雜鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物、硫化物以及有機(jī)材料中紛紛發(fā)現(xiàn)這種新奇的電阻開(kāi)關(guān)效應(yīng)。為了揭示這種奇特效應(yīng)真正的機(jī)理,迄今許多科研工作已經(jīng)將主要精力集中在這一方面,然而至今還沒(méi)有哪一個(gè)理論模型能夠?qū)Υ爽F(xiàn)象作一個(gè)清析而完整的解釋,理論分析還相當(dāng)欠缺,仍然有大量的工作需要做。因此,能夠從基本物理理論去揭開(kāi)電阻變化的神秘面紗是一項(xiàng)重要而有深刻意義的挑戰(zhàn)。 在本論文的研究工作中,作者使用脈沖激光沉積(PLD)制膜技術(shù)和超聲噴霧熱分解技術(shù)結(jié)合聚焦離子束刻蝕的技術(shù)制備了具有非揮發(fā)特性的Au/ SrTiO3-δ(STO)/Pt和Pt/STO/Pt、Ag/STO/Pt、Au/Fe2O3/FTO以及Ag/AIMO/Pt等結(jié)構(gòu)的雙極型和單極型開(kāi)關(guān)單元,研究了各種結(jié)構(gòu)阻變開(kāi)關(guān)的性能和不同的存儲(chǔ)機(jī)理。 主要工作如下： 1.采用脈沖激光沉積技術(shù)制備了Au/STO/Pt結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)器件。在經(jīng)歷過(guò)不同極化方向Electroforming電壓操作之后,阻變器件均表現(xiàn)出了良好的開(kāi)關(guān)性能,包括較低的閾值電壓、良好的抗疲勞特性和保持特性,但是它們的回線方向分別表現(xiàn)出順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较?這說(shuō)明了Electroforming對(duì)阻變器件內(nèi)部的缺陷分布產(chǎn)生了巨大的影響。同時(shí),對(duì)阻變的存儲(chǔ)機(jī)理做了深入的分析,通過(guò)對(duì)電流-電壓曲線的擬合發(fā)現(xiàn),高阻態(tài)和低阻態(tài)分別對(duì)應(yīng)P-F機(jī)制和肖特基勢(shì)壘隧穿機(jī)制。基于此我們提出了一種體效應(yīng)和界面效應(yīng)結(jié)合的阻變模型,并對(duì)不同Electroforming電壓作用后器件的等效電路做了深入的分析。 2.制備了Ag/STO/Pt結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)器件,并對(duì)其機(jī)制做了深入的分析,該阻變器件高電阻和低電阻態(tài)之間的電阻比值是103到104量級(jí)之間。器件的打開(kāi)和關(guān)斷閾值電壓分別為0.35V和-0.11V,阻變器件可以寫(xiě)入和擦出的循環(huán)次數(shù)超過(guò)2×104次,高低阻態(tài)的電阻可以保持8×106秒以上而電阻沒(méi)有發(fā)生明顯變化。為了得到基于Ag/STO/Pt結(jié)構(gòu)的阻變器件的存儲(chǔ)機(jī)制,我們結(jié)合FIB技術(shù)制備了基于固體電解質(zhì)的Ag/AIMO/Pt的阻變器件,得出基于固體電解質(zhì)的阻變的主要特征,這和Ag/STO/Pt結(jié)構(gòu)器件的特征類(lèi)似,結(jié)合X射線光電子能譜結(jié)果和高低阻態(tài)電阻的溫度依賴(lài)性,將Ag/STO/Pt結(jié)構(gòu)的阻變器件機(jī)制歸結(jié)為納米金屬Ag的Filament的形成與斷開(kāi)。 3.制備了基于非晶STO薄膜的單極型阻變開(kāi)關(guān),阻變性能是用脈沖電壓誘發(fā)的。阻變開(kāi)關(guān)的打開(kāi)和關(guān)閉閾值電壓主要集中在0.8～1.5 V和2.5～3.5 V范圍內(nèi)。阻變器件具有良好可以寫(xiě)入和擦出的循環(huán)次數(shù)超過(guò)90次以上,高低阻態(tài)的電阻可以保持1.4×104秒以上而電阻沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。器件高阻態(tài)和低阻態(tài)的導(dǎo)電機(jī)制分別為體效應(yīng)的Poole-Frenkel發(fā)射機(jī)制和焦耳熱。當(dāng)?shù)妥钁B(tài)電阻RLRco如(約6.2Ω),導(dǎo)電通道Filament應(yīng)該是單連的方式。當(dāng)?shù)妥钁B(tài)電阻RLRco(約6.2Ω),導(dǎo)電通道Filament應(yīng)該是多重連接方式。阻變開(kāi)關(guān)器件“關(guān)閉”操作所需的功率PR隨著器件的限制電流和電極面積的增大而增大,但是和低阻態(tài)電阻之間關(guān)系可以擬合成PR∝RL-γ。 4.研究了采用超聲噴霧熱分解法在F摻雜SnO2的玻璃襯底上制備的α-Fe2O3薄膜,發(fā)現(xiàn)在Electroforming操作前后有兩種不同的雙極阻變開(kāi)關(guān)機(jī)制。在Electroforming操作之前,阻變器件的高阻態(tài)的導(dǎo)電機(jī)制為肖特基發(fā)射,Electroforming操作之后,阻變器件的高阻態(tài)的導(dǎo)電機(jī)制為空間電荷限制電流。這兩種阻變效應(yīng)分別來(lái)自界面效應(yīng)和體效應(yīng)。對(duì)兩種不同的阻變模式的保持特性做了對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)其保持特性與勢(shì)阱能級(jí)的深淺和缺陷分布的“有序”性有關(guān)。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類(lèi)號(hào)】：TP333

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2652572