發(fā)布時間：2020-05-09 15:36

【摘要】：當前,為了滿足非易失性存儲器件小型化的要求,各種各樣新型的非易失性存儲器得到了廣泛的研究,包括阻變存儲器、電荷存儲器、相變存儲器、鐵電存儲器等,其中阻變存儲器件和電荷存儲器件有希望應用在大容量非易失性存儲器件中而受到人們廣泛關注。近年來,光控存儲器件將光引入到存儲器件中從而極大地豐富存儲器件的應用場景。一方面,光控阻變器件因其獨特的電阻轉(zhuǎn)變方式受到研究人員的廣泛關注。例如,光控阻變器件的電阻受到光和電共同控制,器件可以用于光信號的探測和存儲,還可以根據(jù)光控器件對單一波長響應的特性實現(xiàn)安全信息的存儲。另一方面,光照同樣可以控制電荷存儲器件的存儲特性,例如光電共同控制的電荷存儲,有希望在光學觸控板技術上得到應用,為電荷存儲器件的多功能應用提供可能。本論文主要以光控阻變器件為研究對象,首先參考生物視網(wǎng)膜的基本結構,制備了仿視網(wǎng)膜結構的光控阻變器件,通過改變光照和施加的電壓狀態(tài),研究了光控阻變器件的開關特性,以及其在光電突觸可塑性模擬和光控蘊涵邏輯運算中的應用。此外我們還研究了光照對CuOx納米晶電荷存儲器件存儲性能的影響。本論文內(nèi)容包括以下幾個方面:1.依據(jù)視網(wǎng)膜的基本結構,我們選擇p-Si作為光感受器,Hf02層作為突觸層,Pt作為神經(jīng)節(jié)細胞的膜層,利用原子層沉積、磁控濺射、無掩摸紫外光刻、聚焦離子束刻蝕等材料生長和加工技術制備了仿視網(wǎng)膜結構的光控阻變器件單元。2.研究了此類光電器件的光控阻變特性,器件只有在光照和正向掃描電壓下才可以打開,在負向掃描電壓下關斷,表現(xiàn)出光控雙極型阻變行為。對電容-電壓曲線分析表明光控阻變來源于光照對Si表面耗盡區(qū)電子狀態(tài)的改變,從而使得外加電壓在氧化物層和半導體層的分壓發(fā)生重新分配。器件在光照下關態(tài)的電流-電壓曲線符合Poole-Frenkel導電機制,當器件打開之后,氧化物層中的氧空位重新分布,導電機制轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g電荷限制電流(space-charge-limited current,SCLC)導電機制。并且隨著打開過程中施加的限制電流逐漸增大,器件開態(tài)的導電機制逐漸由Poole-Frenkel導電過渡到SCLC導電,最后轉(zhuǎn)變?yōu)楦邎鲇鉂B(high-field percolation theory)導電。對器件的抗疲勞和非易失性能研究表明,在1mW、450 nm的光照下,器件反復擦寫200次內(nèi),光電流的開關比始終保持在104以上,在104s的保持時間內(nèi),開態(tài)和關態(tài)下的光電流幾乎沒有衰減,表現(xiàn)出很好的保持性能。器件打開和關斷的時間分別為6ms和0.6ms,均優(yōu)于文獻中報道的數(shù)值。3,首次在實驗上實現(xiàn)了具有邏輯存儲功能的光控實質(zhì)蘊涵(IMP)狀態(tài)邏輯運算。本文選擇具有光控開關特性的p-Si/HfO2/Pt器件構成光控IMP邏輯電路,并通過公式計算,研究IMP邏輯運算中電壓分布的特點和光控邏輯運算的穩(wěn)定性,計算表明,通過選擇合適的串聯(lián)電阻(10MΩ)可以減小閾值電壓不穩(wěn)定對光控IMP運算的影響,從而提高光控邏輯電路的可靠性。實驗結果表明,通過選擇合適的固定電阻和操作電壓,光控IMP邏輯只有在光的照射下才能夠正確地被執(zhí)行,并且輸出的邏輯狀態(tài)可以長時間的保持�；诠饪豂MP邏輯運算,實現(xiàn)了多種不同的光控邏輯操作,包括光控NAND、光控OR、光控NOR等邏輯運算,輸出的邏輯狀態(tài)同樣可以長時間地保持。4.實現(xiàn)了光電突觸可塑性模擬。結果表明其長時程增強部分的突觸權重變化量對光強有依賴性,光強越大,突觸權重的變化量越大�；谶@種光電可塑性我們分別研究了光電流、響應度、響應時間與限流、光強、波長等調(diào)制條件的依賴關系,得到如下結果:(1)不同的限流、光強、波長調(diào)制條件下可以獲得不同的中間態(tài),調(diào)制所用的限流越大、光強越強、波長越長,可以獲得更高的光電流狀態(tài)。(2)實現(xiàn)了可調(diào)制的多態(tài)響應度,隨著調(diào)制所用的限流越大,器件的響應度越高,器件在相同的光電信號讀取下的響應度可以在104范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。(3)在不同限流調(diào)制下器件表現(xiàn)出多態(tài)的響應時間,調(diào)制限流越大,響應時間(包括上升時間和下降時間)同時縮短,通過與其他人工視網(wǎng)膜器件和生物視網(wǎng)膜器件的對比,我們的器件具有更短的響應時間。這種光電突觸可塑性和多態(tài)的光響應能夠同時實現(xiàn)光傳感和神經(jīng)形態(tài)的處理,在光控認知器件和光學神經(jīng)形態(tài)硬件中具有廣闊的應用前景。5.利用原子層沉積和磁控濺射技術制備了基于CuOx納米晶的電荷存儲器件,同時利用高分辨透射電子顯微鏡表征了 CuOx納米晶的微觀結構,結果表明銅薄膜在700 °C熱氧化退火后形成多晶態(tài)的CuOx納米晶,包含CuO和Cu20兩種成分。接下來測試了光照對納米晶電荷存儲器件性能的影響,結果表明,光照可以顯著提高電荷寫入的存儲窗口,在掃描電壓為±6 V時,器件的存儲窗口從暗場下的2.8 V增大到了光照下的5.1 V,提高了 82%的電荷存儲能力。對器件的寫入/擦除速度測試表明,光照對器件的寫入速度有顯著的影響,在光照下,當脈沖寬度達到1O-3s時器件開始打開,平帶電壓偏移1.3 V;而在暗場下,直到脈寬為1s時器件開始打開,平帶電壓偏移0.8 V。對器件的抗疲勞特性測試表明,器件在寫入擦除104后,無論是暗場還是光照條件下器件的電荷存儲能力幾乎沒有衰減,表現(xiàn)出良好的抗疲勞性能。對器件的數(shù)據(jù)保持性能測試表明,光照對器件寫入數(shù)據(jù)后的保持性能有顯著的影響,光照下的電荷損失速度比暗場下更慢,表現(xiàn)出比暗場下更好的保持特性。
【圖文】：

邐第一章緒論邐逡逑ＢＲＳ），分另ｌｌ如圖１－１邋（ａ）和（ｂ）所示。單極型是指ＳＥＴ和ＲＥＳＥＴ過程中所需的電逡逑壓極性相同，而雙極型必須在相反的電壓極性下進行。需要指出，，某些單極型在逡逑相同極性電壓下可以完成ＳＥＴ和ＲＥＳＥＴ操作，在相反的極性下同樣可以實現(xiàn)此逡逑類操作，表現(xiàn)出對電壓極性的無關性，此類阻變行為通常被成為無極型阻變逡逑（ｎｏｎｐｏｌａｒ）［６，７］邋0逡逑３ｂ

學金屬化的阻變現(xiàn)象。在該模型中，阻變器件的結構是非對稱的，對于ＭＩＭＳ逡逑構的器件，一端的電極材料一般為電化學活潑金屬（Ａｇ，Ｃｕ等），另一端為惰性金逡逑屬（Ｐｔ，Ｗ等），圖１－２為該機制主導的阻變開關過程的示意圖，中間的介質(zhì)層材料逡逑為ＺｎＯ：Ｍｎ，當正電壓加在Ａｇ電極上，Ａｇ發(fā)生氧化反應Ａｇ－ｅ邋—Ａｇ＋，產(chǎn)生的逡逑Ａｇ＋在電場的驅(qū)動下穿過介電層向惰性金屬電極Ｐｔ端遷移，如圖中（ａ）所示，當達逡逑到陰極時發(fā)生還原反應Ａｇ＋＋ｅ—？Ａｇ，產(chǎn)生金屬Ａｇ原子，如圖中（ｂ）所示，Ｐｔ電逡逑極上的Ａｇ不斷向著Ａｇ電極生長，當器件在兩個電極之間形成一條由Ａｇ原子逡逑組成的導電細絲時，器件將轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，即ＳＥＴ過程，如圖中（ｃ）所示。當電逡逑壓反向時，發(fā)生與ＳＥＴ過程方向相反的氧化還原反應，導致導電細絲溶解并斷逡逑開，器件從低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)，如圖中（ｄ）所示。在該機制中，ＳＥＴ過程和ＲＥＳＥＴ逡逑過程發(fā)生在極性相反的偏壓下
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP333

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 王久敏;陳坤基;宋捷;余林蔚;吳良才;李偉;黃信凡;;氮化硅介質(zhì)中雙層納米硅薄膜的兩級電荷存儲[J];物理學報;2006年11期

2 陳宇曉;楊謨?nèi)A;唐丹;尹顯東;;高速瞬態(tài)脈沖“緩沖減速”原理和模型[J];半導體技術;2006年10期

3 劉奇斌;宋志棠;吳良才;封松林;;鍺納米晶浮柵存儲器的電荷存儲特性[J];功能材料與器件學報;2007年02期

4 ;碳納米管的電荷存儲能力得到提升[J];硅酸鹽通報;2009年01期

5 費慶宇;用C-V法觀察介質(zhì)-半導體界面的電荷存儲效應[J];電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗;1997年06期

6 李英敏;;高速注入邏輯的某些考慮[J];電子計算機動態(tài);1979年08期

7 孟耀勇,張月清,武勝利;DH激光器的電荷存儲效應[J];發(fā)光學報;1990年03期

8 ;前沿掃描六則[J];農(nóng)村青少年科學探究;2018年06期

9 宮麗華;;向更高容量與更低成本邁進 Spansion MirrorBit Quad譜新章[J];電子測試;2006年11期

10 張東林;陳鋼進;趙延海;;氟化乙丙烯共聚物薄膜駐極體電荷存儲性能與電暈產(chǎn)生模式相關性[J];材料研究學報;2013年04期

相關會議論文 前6條

1 陳鋼進;肖慧明;郝天亮;周暢;周霞;;駐極體材料中的電荷存儲與結構的相關性[A];第七屆中國功能材料及其應用學術會議論文集（第7分冊）[C];2010年

2 陳鋼進;;駐極體材料中的電荷存儲與微觀結構的相關性[A];第七屆中國功能材料及其應用學術會議論文集（第7分冊）[C];2010年

3 陸紅波;張興元;;不同結晶度尼龍1010的分子鏈段運動與電荷存儲輸運[A];第五屆中國功能材料及其應用學術會議論文集Ⅲ[C];2004年

4 楊剛;;插層復合型MoO_3/C的合成及其超級電容性能[A];第七屆中國儲能與動力電池及其關鍵材料學術研討與技術交流會論文集[C];2015年

5 儀明東;李雯;凌海峰;解令海;黃維;;基于PS/944電荷存儲層的有機場效應晶體管多階存儲器[A];中國化學會2017全國高分子學術論文報告會摘要集——主題H：光電功能高分子[C];2017年

6 董子堯;李昕;;納米TiO_2-CeO_2在大面積電致變色器件中的應用[A];“力恒杯”第11屆功能性紡織品、納米技術應用及低碳紡織研討會論文集[C];2011年

相關博士學位論文 前9條

1 周廣東;微納米尺度下有機/無機憶阻器電荷存儲機理研究[D];西南大學;2018年

2 張成文;利用動態(tài)方法對基于PMMA的OLED電荷存儲器件的研究[D];北京交通大學;2018年

3 陳巖;基于硅異質(zhì)結構的光控存儲、邏輯和類突觸器件的研究[D];南京大學;2018年

4 陸建新;Al_2O_3-Cu_2O復合材料電荷存儲特性研究[D];南京大學;2014年

5 藍學新;納米結構電荷存儲材料及存儲器件研究[D];南京大學;2014年

6 翟登云;高能量密度超級電容器的電極材料研究[D];清華大學;2011年

7 龔昌杰;高-k氧化物介質(zhì)在電荷俘獲型存儲器件的應用研究[D];南京大學;2014年

8 陳建雄;電荷陷阱型懸浮柵存儲器隧穿層和存儲層研究[D];華中科技大學;2014年

9 高博;Au-CdSe異質(zhì)二聚體納米結構的光電特性研究[D];中國科學技術大學;2011年

相關碩士學位論文 前10條

1 張婷;光輻照和磁場調(diào)控下的摻鎳HfO_2薄膜電荷存儲特性[D];西南大學;2018年

2 時原;聚乙烯基吡咯烷酮的分子運動和電荷存儲現(xiàn)象研究[D];中國科學技術大學;2009年

3 郭豐寧;基于溶液加工寬帶隙半導體的有機場效應晶體管存儲器的研究[D];南京郵電大學;2017年

4 張守英;摻鍺HfAlO_x薄膜的微結構與電荷存儲特性[D];西南大學;2014年

5 廖忠偉;基于分離電荷存儲的MOS結構存儲效應及機理研究[D];復旦大學;2009年

6 朱華星;摻鎳納米微粒HfO_2薄膜的電荷存儲特性[D];西南大學;2016年

7 王石冶;埋嵌在高k介質(zhì)中Ge納米晶的制備及其電荷存儲特性的研究[D];中國科學院研究生院（上海微系統(tǒng)與信息技術研究所）;2005年

8 王順;有機場效應晶體管非易失性存儲器的電荷存儲機制研究[D];蘇州大學;2016年

9 曹正義;新型非易失性存儲器的原子層沉積技術制備及其存儲性能的研究[D];南京大學;2015年

10 黃萬一;鈀納米晶的自組織生長及其電荷存儲效應的研究[D];復旦大學;2011年

本文編號：2656360