【摘要】：當前,傳統(tǒng)硅半導體技術的節(jié)點尺寸逐步逼近其物理極限,尋找新型的替代材料和器件已經(jīng)成為迫在眉睫的任務。近二十年來,電致阻變現(xiàn)象不僅因其豐富的物理效應而在應用物理研究領域中備受關注,而且其在大容量非易失性存儲器上的應用潛力也受到諸如英特爾、鎂光、三星、東芝等國際知名半導體存儲器廠商的青睞。較之其他新型存儲器,阻變存儲器在擦寫速度、存儲密度以及功耗等多項指標上都具有優(yōu)勢,但是復雜的物理機制導致其性能的穩(wěn)定性不足,器件的關鍵參數(shù)會受到諸如尺寸、環(huán)境等因素的影響,阻礙了其產(chǎn)業(yè)化進程。本文的工作以Pt/TiO2/Pt結(jié)構(gòu)的單極型阻變器件為對象,研究器件的性能對尺寸和環(huán)境濕度的依賴性,總體可分為模擬和實驗兩部分。在模擬部分,我們先后建立了靜態(tài)模型和動態(tài)模型，分別模擬低阻態(tài)器件在恒壓下的焦耳熱過程和在脈沖電壓下的“關斷”(Reset,從低阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài))過程,著重考察器件尺寸對兩者的影響。在實驗部分,我們關注器件在不同環(huán)境濕度下的阻變行為,對器件的形貌變化以及閾值電壓與濕度的關系進行了深入研究。主要工作如下：一、發(fā)現(xiàn)了納米尺寸單極型阻變器件中的“增強的焦耳熱效應”。對交叉矩陣(crossbar)結(jié)構(gòu)的器件在恒壓下的溫度和熱流分布的計算結(jié)果表明,器件的尺寸減小后,由于材料電、熱導率和界面面積的減小,器件中的主要傳熱路徑被改變,器件的等效熱阻升高。在同樣的熱功率下,更小尺寸的器件可以獲得更高的峰值溫度；相應地,如果導電細絲要達到相同的峰值溫度,小尺寸器件需要的電壓和熱功耗更低;二、確認了單極型阻變器件的Reset速率和功耗與器件尺寸的關系。我們以離子的遷移機制為基礎建立動態(tài)模型,模擬器件在脈沖電壓下的Reset過程。結(jié)果表明,器件的Reset過程大致可分為兩個階段：第一階段以熱作用為主導,電流快速降低,溫度迅速升高,在導電細絲中形成高阻區(qū)域；第二階段電熱混合作用,電流小幅變化,溫度降至穩(wěn)定值,導電細絲近似斷開。第一階段的速率與脈沖幅值和器件尺寸都有關系,電壓越高或尺寸越小,該階段的速率越快：而要達到相同的速率,則尺寸更小的器件需要的電壓更低,消耗的能量也更少,符合前一部分的預測：三、報道了阻變器件中的電解水反應。利用直流反應濺射Ti金屬靶材的方法沉積TiO2-x薄膜,制備了Pt/TiO2-x/Pt單極型阻變器件。當測試環(huán)境的濕度高于10%時,在正向電壓下的“形成”(Forming,從初始態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài))過程中,器件上出現(xiàn)了大小超過上電極范圍的氣泡，但在干燥氮氣環(huán)境中或者負向電壓下操作時,氣泡卻不會出現(xiàn)。不同于文獻中報道的由于氧化物薄膜中的氧離子在陽極被氧化所形成的氧氣氣泡,這些氣泡被證實位于陰極下方,是由于水的電解產(chǎn)生氫氣引發(fā)的。環(huán)境中的水分子被吸附于薄膜表面后,分解產(chǎn)生質(zhì)子并遷移至陰極,被還原成氫氣。但在負向電壓下,由于氫氧根在TiO2-x薄膜中的遷移受限,陽極反應受阻,所以水的電解被抑制,無法產(chǎn)生氣泡：四、研究了阻變閾值電壓對環(huán)境濕度的依賴性。在Pt/TiO2-x/Pt器件中,如果TiO2-x薄膜改用射頻濺射Ti02靶材的方法生長,則器件即使在潮濕環(huán)境中工作也不會產(chǎn)生氣泡。介電測試結(jié)果表明,射頻濺射器件的電容隨濕度的變化,相比直流反應濺射器件要小得多,而電容的變化正是來自于吸附水分子的極化。由此可知,射頻濺射薄膜對水的吸附量很小,無法產(chǎn)生足夠的氫氣以形成氣泡。不過,水分子在器件表面的吸附仍能對器件的阻變性能產(chǎn)生影響。實驗結(jié)果表明,水分子的吸附改變了上電極界面的勢壘,使得正偏電流增大,而反偏電流變化很弱。因此,正向電壓下操作時,濕度越高,電流越大,阻變層的分壓越大,電場越強,離子遷移越快,器件可以在更低的電壓下完成Forming,而負向電壓下操作時卻沒有以上效應。此外,在Forming之后的開關操作中,由于電極／氧化物肖特基勢壘的消失,無論正負,閾值電壓都與濕度無關。
【圖文】：

單極型（Ｕｎｉｐｏｌａｒ民ｅｓｉｓｔｉｖｅＳｗｉｔｅｈｉｎｇ，Ｕ民Ｓ）和雙極型（Ｂｉｐｏｌａｒ民ｅｓｉｓｔｉｖｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇ，逡逑ＢＲＳ）。顧名思義，ＵＲＳ器件的Ｒｅｓｅｔ／Ｓｅｔ操作可Ｗ在同向極性的電壓下進行，而逡逑ＢＲＳ則必須在相反極性的電壓下進行，兩者的區(qū)別可通過對比圖１．１邋（ａ）和逡逑（ｂ）

陽離子型器件是非對稱結(jié)構(gòu)，具有ＢＲＳ，對操作電壓有天然選擇性，逡逑即必須在活潑電極作陽極時才能Ｆｏｒｍｉｎｇ／Ｓｅｔ，作陰極時才能民ｅｓｅｔ。陽離子型器逡逑件的阻變過程屬于典型的電化學過程Ｐ２－２４］，類似于電解－電轅反應，具體見圖１．２逡逑描述，器件轉(zhuǎn)變?yōu)椋蹋遥拥年P鍵在于電極之間形成了一條由金屬原子構(gòu)成的金屬逡逑細絲（ＭｅｔａｌｌｉｃＦｉｌａｍｅｎｔ），而轉(zhuǎn)變?yōu)椋龋遥拥年P鍵在于電壓反向時惰性電極無法提逡逑供可遷移離子而導致細絲斷開。逡逑不過，，圖１．２只是描述了金屬細絲的一種形成模式，實際上，金屬細絲的生逡逑３逡逑
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP333

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 鄧蓓,包宗明;平面高反壓器件的兩維數(shù)值模擬[J];固體電子學研究與進展;1989年02期

2 黃風義,孔曉明,蔣俊潔,姜楠;砷化鎵HBT的VBIC模型研究[J];東南大學學報(自然科學版);2005年02期

3 方家興;胡志富;蔡樹軍;;大柵寬功率器件的分布性研究[J];微納電子技術;2010年08期

4 章安良,陳顯萼,胡建萍;基于物理分析的大信號HBT模型[J];杭州電子工業(yè)學院學報;2000年06期

5 賀威;張正選;;部分耗盡PD CMOS/SOI器件SEU模型分析[J];微電子學與計算機;2010年12期

6 劉諾，謝孟賢;高電子遷移率晶體管器件模型[J];微電子學;1996年02期

7 盧東旭;楊克武;吳洪江;高學邦;;GaN功率器件模型及其在電路設計中的應用[J];半導體技術;2007年04期

8 高新江;張秀川;陳揚;;InGaAs/InP SAGCM-APD的器件模型及其數(shù)值模擬[J];半導體光電;2007年05期

9 Jeffrey Frey;梁春廣;;半導體器件的彈道傳輸[J];半導體情報;1981年05期

10 蔡麗娟,鄒祖冰;新型功率器件MCT關斷模型[J];華南理工大學學報(自然科學版);2004年01期

相關博士學位論文 前10條

1 付強;SOI基高速橫向IGBT模型與新結(jié)構(gòu)研究[D];電子科技大學;2014年

2 雷曉藝;阻變存儲器（RRAM）器件特性與模型研究[D];西安電子科技大學;2014年

3 劉博;基于無序體系電荷輸運理論的聚合物半導體全器件模型構(gòu)建與應用[D];吉林大學;2016年

4 殷喬楠;氧化鈦阻變器件開關特性對尺寸和環(huán)境濕度依賴性的研究[D];南京大學;2016年

5 吳強;HBT模型參數(shù)提取方法及InP基單片集成器件的研究[D];北京郵電大學;2008年

6 鐘英輝;InP基HEMT器件及毫米波單片放大電路研究[D];西安電子科技大學;2013年

7 鮑立;超深亞微米MOS器件RTS噪聲研究[D];西安電子科技大學;2008年

8 朱臻;多晶硅薄膜晶體管器件模型研究[D];華東師范大學;2011年

9 許會芳;新型納米器件的性能研究與建模[D];安徽大學;2015年

10 胡夏融;高壓SOI器件耐壓模型與槽型新結(jié)構(gòu)[D];電子科技大學;2013年

相關碩士學位論文 前10條

1 張城緒;小尺寸pMOSFET器件的NBTI壽命預測方法研究[D];南京大學;2016年

2 張麗芳;THz波段RTO器件集成與功率合研究[D];天津工業(yè)大學;2016年

3 葉然;550V高壓SOI-LIGBT器件ESD響應特性及模型研究[D];東南大學;2016年

4 甘志;大功率射頻LDMOS器件設計優(yōu)化與建模[D];電子科技大學;2016年

5 王超;RF SOI CMOS工藝器件仿真及電路應用研究[D];華東師范大學;2010年

6 張麗燕;Strained-SOI MOS器件的設計與優(yōu)化[D];電子科技大學;2006年

7 陳昭祥;GaN HEMT器件等效電路宏模型與測試分析[D];電子科技大學;2007年

8 張海澎;InP HBT器件大信號模型研究[D];西安電子科技大學;2013年

9 劉興明;新結(jié)構(gòu)低功耗IGBT縱向結(jié)構(gòu)的仿真研究[D];北京工業(yè)大學;2003年

10 盧東旭;非線性器件模型的建立[D];河北工業(yè)大學;2007年

本文編號：2540517