【摘要】：隨著移動(dòng)終端、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的突飛猛進(jìn),市場(chǎng)對(duì)性能優(yōu)越的電子產(chǎn)品的需求日益迫切。存儲(chǔ)器是限制計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展最大的阻礙,所以新一代高性能存儲(chǔ)器的開發(fā)與研究被越來越多人關(guān)注。阻變存儲(chǔ)器具有存儲(chǔ)密度高、擦寫速度快和非易失性等優(yōu)點(diǎn),擁有極大潛力取代目前市面上主流的閃存(flash)存儲(chǔ)器。但經(jīng)過近二十年的研究,阻變存儲(chǔ)器依舊沒能取代閃存,這是由于物理機(jī)制不明導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)對(duì)阻變特性的調(diào)控。因此本文用數(shù)值模擬的方法研究ZnO阻變存儲(chǔ)器的物理機(jī)制,為阻變特性的調(diào)控提供有效的思路與方法。本文通過研究制備參數(shù)對(duì)Zn O薄膜形貌以及Al/ZnO/p~+-Si結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器阻變特性的影響,得到最優(yōu)的制備參數(shù),并對(duì)該參數(shù)下的ZnO阻變存儲(chǔ)器進(jìn)行了表征。研究結(jié)果表明溶膠凝膠法制備的Zn O為典型的纖鋅礦結(jié)構(gòu),并且在電場(chǎng)作用下ZnO薄膜內(nèi)產(chǎn)生了由氧空位構(gòu)成的導(dǎo)電細(xì)絲(conductive filaments,CFs)。然后通過線性擬合發(fā)現(xiàn),最優(yōu)參數(shù)下的Al/ZnO/p~+-Si阻變存儲(chǔ)器的高、低阻態(tài)分別由蒲爾-弗朗克(Poole-Frenkel,P-F)效應(yīng)電流和空間電荷限制電流(space charge limited current,SCLC)主導(dǎo)。接著將氧空位濃度因子分別引入兩種導(dǎo)電模型,得到與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合的電流-電壓(I-V)特性曲線。模擬結(jié)果說明Al/ZnO/p~+-Si阻變存儲(chǔ)器的電阻轉(zhuǎn)變由氧空位濃度決定,并且氧空位通過對(duì)電子的捕獲和發(fā)射實(shí)現(xiàn)了對(duì)導(dǎo)電機(jī)理的主導(dǎo)。最后,利用滲透理論得到了氧空位濃度與電導(dǎo)的關(guān)系,并考慮了導(dǎo)電細(xì)絲的尖端效應(yīng),用統(tǒng)一的模型(滲透模型)實(shí)現(xiàn)了對(duì)Al/ZnO/p~+-Si阻變存儲(chǔ)器I-V特性曲線的模擬。滲透模型不僅給出了導(dǎo)電細(xì)絲的生長(zhǎng)過程、阻變功能層厚度以及導(dǎo)電細(xì)絲直徑對(duì)阻變特性的影響,還揭示了ZnO阻變存儲(chǔ)器基層運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制:電壓決定氧空位分布進(jìn)而決定電流。
【圖文】：

蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文 ZnO 阻變存儲(chǔ)器的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究相變存儲(chǔ)器（phase-changeRAM,PRAM）、阻變存儲(chǔ)器（resistiveRAM,RRAM）。(1)磁存儲(chǔ)器磁存儲(chǔ)器利用材料的巨磁阻效應(yīng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)單元為一個(gè)磁隧道結(jié)，其核心結(jié)構(gòu)為自由磁層/隧穿層/固定磁層[11]，如圖 1.1 所示。固定磁層的磁矩方向保持不變，自由磁層的磁矩方向能夠隨外加電場(chǎng)發(fā)生變化，隧穿層將固定磁層和自由磁層分隔開來。當(dāng)自由磁層的磁矩方向與固定磁層的磁矩方向反平行時(shí)，隧穿電子受到較強(qiáng)的散射作用，因此器件在垂直方向上呈現(xiàn)出電阻較大的狀態(tài)[12]，記為邏輯“0”；當(dāng)自由磁層的磁矩方向在電場(chǎng)的作用下改變，并且與固定磁層的磁矩方向平行時(shí)，隧穿電子受到的散射作用較小，所以在垂直方向上呈現(xiàn)出電阻較小的狀態(tài)，記為邏輯“1”。由于磁性不易受外界電信號(hào)的干擾，因此 MRAM 抗干擾能力強(qiáng)。除此之外，還具備耐受能力強(qiáng)[13]、速度快、功耗低[14]的特性。但是在大規(guī)模集成時(shí)面臨諸多困難，，例如集成時(shí)需要串聯(lián)晶體管，所以難以獲得高存儲(chǔ)密度；高密度集成時(shí)難以避免磁泄露等。

擦寫等優(yōu)點(diǎn)[19]，但和 MRAM 一樣，每一個(gè)鐵電存儲(chǔ)單元sistor）和一個(gè)鐵電材料充當(dāng)?shù)碾娙萜鳎╟apacitor），即 1T高，同時(shí)鐵電材料毒性大，這一系列問題嚴(yán)重制約了鐵電存儲(chǔ)器儲(chǔ)器利用能在焦耳熱的作用下實(shí)現(xiàn)晶態(tài)與非晶態(tài)相互切存儲(chǔ)[20]。其單元結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示，在兩電極間施加電壓導(dǎo)致相變材區(qū)域溫度改變。當(dāng)施加寬且低的脈沖電流，相介于晶化溫度與熔點(diǎn)之間，相變材料將由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫В洖檫壿嫛?”；當(dāng)施加窄且高的脈沖電流，相變區(qū)域料的熔點(diǎn)，導(dǎo)致相變材料由晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，即電阻較高0”。相變存儲(chǔ)器的寫入和擦除過程只需要調(diào)節(jié)脈沖電流簡(jiǎn)單，易于高密度集成，同時(shí)讀取速度快、耐擦寫[22]。焦耳熱進(jìn)行相變，因此耗能高，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP333

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本文編號(hào)：2699619