【摘要】：隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,可縮小性(scalability)已成為目前主流的非揮發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)——Flash存儲(chǔ)器的技術(shù)瓶頸。為了滿足當(dāng)今信息技術(shù)對(duì)于超高密度存儲(chǔ)技術(shù)的需要,多種新型存儲(chǔ)器被提出,其中憶阻器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作電壓低、耐久性好和多級(jí)存儲(chǔ)等特性,被認(rèn)為是替代Flash存儲(chǔ)最具潛力的存儲(chǔ)技術(shù)之一。目前在多元氧化物、固態(tài)電解質(zhì)、有機(jī)材料和二元氧化物等眾多材料中均觀察到了阻變效應(yīng),其中NiO因其成分簡(jiǎn)單及CMOS兼容性良好而被認(rèn)為是最具潛力的阻變材料之一。但是基于NiO材料的憶阻器仍存在眾多亟待解決的問題:如阻變機(jī)理尚不明確、器件參數(shù)的一致性較差、存儲(chǔ)窗口較低等。針對(duì)以上問題,開展了NiO憶阻器的阻變機(jī)理研究,分析了氧化物組成、結(jié)晶、導(dǎo)電絲等特性對(duì)阻變性能的影響;研究了制備條件、插層等對(duì)阻變性能的影響,并找到了大幅度提高存儲(chǔ)窗口的可行途徑,為多級(jí)存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ);利用靜電紡絲方法制備了柔性NiO憶阻器,為其在低成本柔性領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的技術(shù)路線。主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)制備條件的變化會(huì)對(duì)氧化物的微觀結(jié)構(gòu)等造成極大影響,進(jìn)而顯著影響器件的性能,因此對(duì)制備條件的研究一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。本論文針對(duì)制備條件對(duì)憶阻器性能的影響開展了詳細(xì)的研究。在反應(yīng)濺射過程中,通過改變?yōu)R射氣體成分可顯著影響憶阻器的性能,首先探尋了濺射氣體成分對(duì)存儲(chǔ)窗口、電阻分散性等的影響,當(dāng)濺射氣體氧分壓為10%時(shí)器件的阻變性能最好;其次,在利用快速退火工藝對(duì)阻變單元進(jìn)行后退火處理的過程中,通過改變退火氣氛,在空氣中退火的樣品經(jīng)過適當(dāng)二次氧化,可顯著提高存儲(chǔ)單元的阻變性能;通過調(diào)整退火溫度,可優(yōu)化薄膜的組成成分及結(jié)晶狀態(tài),從而影響器件的存儲(chǔ)窗口、穩(wěn)定性等參數(shù);而通過對(duì)退火時(shí)間的調(diào)節(jié),可有效調(diào)控薄膜的應(yīng)力狀態(tài),從而在根本上改變器件的阻變機(jī)理,實(shí)現(xiàn)多種模式的阻變效應(yīng)。該研究為后期提高器件性能打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。(2)目前,憶阻器的轉(zhuǎn)變機(jī)理主要分為以界面為基礎(chǔ)的整體效應(yīng)和基于導(dǎo)電絲機(jī)理的局域效應(yīng)。在局域效應(yīng)型憶阻器中,導(dǎo)電絲的形成和斷裂直接影響著器件的宏觀電學(xué)性能,因此對(duì)導(dǎo)電絲狀態(tài)的研究一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)。首先,通過對(duì)比以Au和Co作為頂電極的憶阻器的電學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)不同頂電極的憶阻器中導(dǎo)電絲的形成/斷裂機(jī)理不同。其中Au/NiO/Pt器件是典型的熱熔斷機(jī)理,器件在正向和負(fù)向形成單極轉(zhuǎn)變;而Co/NiO/Pt器件是典型的電化學(xué)機(jī)理(ECM),通過Co離子的移動(dòng),使導(dǎo)電絲形成和斷裂,實(shí)現(xiàn)器件的雙極轉(zhuǎn)變。其次,目前憶阻器已從單純的三明治結(jié)構(gòu)延伸至多層結(jié)構(gòu),以改善器件的性能。利用Ta作為插層,通過分析不同器件的I-V曲線特性,深入研究了Ta插層對(duì)導(dǎo)電絲狀態(tài)的影響。發(fā)現(xiàn)隨著插層位置、厚度和數(shù)量的變化,電流突增的現(xiàn)象和轉(zhuǎn)變電壓等均發(fā)生了明顯改變,該研究為多層憶阻器的設(shè)計(jì)提供了有利的指導(dǎo)。最后,由于憶阻器是通過電激勵(lì)作用實(shí)現(xiàn)電阻的變化,在使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱,因此研究器件的熱效應(yīng)對(duì)提高器件的穩(wěn)定性等具有十分重要的意義。分別利用有限元和有限差分方法對(duì)導(dǎo)電絲熱效應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算,兩種方法計(jì)算結(jié)果的一致性較好,證明了導(dǎo)電絲成分、導(dǎo)電絲直徑、限流作用等均會(huì)對(duì)器件的熱效應(yīng)產(chǎn)生影響,為設(shè)計(jì)具有優(yōu)異性能的憶阻器提供了有效的指導(dǎo)。(3)隨著對(duì)憶阻器的研究向應(yīng)用領(lǐng)域邁進(jìn),通過調(diào)控器件性能,使其在滿足基本存儲(chǔ)性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)器件性能多元化,拓寬其應(yīng)用范圍已成為當(dāng)今憶阻器的發(fā)展趨勢(shì)�；诖�,首先通過沉積不同的插層,調(diào)節(jié)界面狀態(tài)和氧化層的性能,提高了存儲(chǔ)窗口,進(jìn)而在此優(yōu)異性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了器件的多級(jí)存儲(chǔ),增加了器件的存儲(chǔ)密度;其次,通過研究不同頂電極的NiO憶阻器,證明了電極的氧化物標(biāo)準(zhǔn)自由能與轉(zhuǎn)變電壓呈反比關(guān)系,從而為調(diào)控器件的轉(zhuǎn)變電壓提供了新的途徑。(4)21世紀(jì)以來,通過新的技術(shù)方法制備成本低廉性能優(yōu)異的柔性電子器件已逐漸成為新型電子器件研究的熱點(diǎn)。利用靜電紡絲方法首先制備了柔性NiO纖維;通過微流量系統(tǒng),制備了高純度的柔性銀電極,且獲得了極高的電導(dǎo)率;最后,將NiO纖維與銀電極進(jìn)行組裝,實(shí)現(xiàn)了典型的阻變效應(yīng)。該方法為制備低成本的NiO柔性憶阻器提供了新的途徑。
【圖文】：

電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文近些年來，自旋轉(zhuǎn)移矩（Spin Transfer Torque, STT）的物理效應(yīng)給新型磁存儲(chǔ)器指明了發(fā)展方向[15,16]。由于其具有降低傳統(tǒng)磁存儲(chǔ)功耗的潛力，使學(xué)術(shù)界重新燃起了對(duì)該技術(shù)的研究興趣，并且在高密度存儲(chǔ)方面獲得了新的希望。1.3.3 鐵電存儲(chǔ)器鐵電隨機(jī)存取器（FRAM），是一種隨機(jī)存取存儲(chǔ)器技術(shù)。鐵電存儲(chǔ)的原理是鐵電材料基于外電場(chǎng)條件下的極化反轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)通常為金屬-鐵電層-金屬電容。其中“0”“1”信號(hào)分別代表非揮發(fā)存儲(chǔ)的正向或反向極化狀態(tài)，讀取操作主要通過位移電流完成。基于優(yōu)異的電學(xué)性能，如讀取和寫入時(shí)間小于 100ns、較低的功率等，鐵電存儲(chǔ)已成為下一代非揮發(fā)存儲(chǔ)器的有力競(jìng)爭(zhēng)者之一，與其他非揮發(fā)存儲(chǔ)器相比具有很大的優(yōu)勢(shì)[17]。

電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文阻態(tài)和高阻態(tài)。器件的初始態(tài)為低阻態(tài)，材料呈現(xiàn)結(jié)晶相溫度足以使其發(fā)生結(jié)晶的相變。為了實(shí)現(xiàn) RESET 轉(zhuǎn)變，在時(shí)間的脈沖電流，使得相關(guān)區(qū)域融化并淬火，此過程會(huì)形成為高阻態(tài)。在 SET 過程中，通過一個(gè)適中的脈沖電流使相度與融化溫度之間，實(shí)現(xiàn)器件的退火并具有適當(dāng)?shù)谋貢r(shí)使器件轉(zhuǎn)化為低阻態(tài)。在讀取存儲(chǔ)狀態(tài)的過程中，利用一此電流不能影響器件的結(jié)晶狀態(tài)，，脈沖電流曲線如圖 1-2(
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN60

【參考文獻(xiàn)】

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1 李芬;朱穎;李劉合;盧求元;朱劍豪;;磁控濺射技術(shù)及其發(fā)展[J];真空電子技術(shù);2011年03期

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1 石永敬;龍思遠(yuǎn);王杰;潘復(fù)生;;直流磁控濺射研究進(jìn)展[A];2010中國(guó)·重慶第七屆表面工程技術(shù)學(xué)術(shù)論壇暨展覽會(huì)論文集[C];2010年

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