氧化物阻变效应中导电通道的动力学研究

发布时间：2020-05-06 07:05

【摘要】：基于电致阻变效应的非易失性存储器由于具有简单结构、高密度、低功耗、耐久性、快速读写、与互补金属氧化物半导体工艺兼容及良好的扩展性等优点,被视为最有应用前景的下一代非易失性存储器,在学术界和工业界引起了极大的关注,但是,目前阻变效应的物理机制依然存在着广泛的争议。阻变效应分为界面型阻变和通道型阻变。关于通道型阻变,人们利用电子显微镜、能谱分析、光谱学分析、形貌分析等多种先进技术,证实了导电通道的存在,并研究了导电通道的成分。但是,受限于金属电极对阻变介质层的遮挡、阻变发生在纳米尺寸的范围、阻变过程涉及复杂的离子迁移动力学过程等方面的研究困难,人们对阻变过程中导电通道的一些关键科学问题还没有研究清楚,例如导电通道形成和熔断的动力学过程,阻变过程中导电通道的结构和成分的动态变化等。针对上述问题,本论文利用电致发光技术原位非破坏地研究了氧化物阻变效应中导电通道的动力学行为,包括单极阻变Pt/NiO/Pt结构和双极阻变ITO/TiO_2/ITO/Au结构,取得的主要进展包括:(1)制备了具有稳定单极阻变性能的Pt/NiO/Pt结构,利用电致发光技术非破坏性地研究了导电通道的演化过程,阐明了导电通道的随机生成和化学成分变化是引起阻变参数涨落的主要原因;发现阻变过程中的电致发光来自于NiO中氧空位相关缺陷能级的辐射跃迁,而不是热致辐射效应;揭示了阻变过程中导电通道微结构成分的演化过程,发现导电通道形成后其成分仍然会发生变化;证实了阻变效应发生在导电通道阳极一侧。(2)制备了具有稳定双极阻变性能的ITO/TiO_2/ITO/Au结构,利用电致发光技术研究了阻变过程载流子的输运机制和导电通道的原位演化过程,发现正、负向电场下导电通道空间位置的变化是阻变参数涨落的主要原因;揭示了阻变过程导电通道中化合物成分的演化过程,发现了导电通道阻变区域的稳定成分;发现热处理可以改变导电通道微结构和成分的分布,并证实了双极阻变发生在导电通道阴极一侧。(3)研究了双极型ITO/Cu_3N/ITO/Au结构的阻变特性,观测到反常的阻变效应,通过改进制备工艺,改善了样品的阻变性能。研究了单极型Pt/ZnO/Pt结构在阻变过程中导电通道的电致发光行为,发现导电通道的形成和熔断导致了样品高低阻态的转变。
【图文】：

架构图,交叉式,电阻式,存储器

能的比较(17)。在这些新兴的存储技术中，，铁电随机存储器和临着尺寸小型化的问题；相变存储器在非晶相和晶相转换过程问题。其中，阻变存储器展现出优异的小型化优势（尺寸小于操作速度（响应时间小于纳秒级）(19, 20)，低能耗（能耗小于的耐久性（循环次数大于 1012）(12)和互补金属氧化物半导体性能。因此，阻变存储器被视为最有应用前景的下一代非易失互补金属氧化物半导体的动态随机存储器和闪存等三端存储器是简单的金属/氧化物/金属两端存储器件结构，这使得它能够，如图 1.1。这种字线/位线的致密堆积允许 4F2的极小集成刻的最小尺寸大小(23)。通过把器件进行垂直方向的堆垛，器步减小到 4F2/n(n 是交叉开关阵列垂直方向堆垛的层数)(24)。表 1. 1 不同非易失性存储设备性能的比较(17)

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的发展历史和定义机存储器（RRAM）的物理原理是电阻开关效应，是指在外以在高、低阻态间可逆转变。1962 年，Hickmott 等人首次在2O5、ZrO2和 TiO2等二元氧化物中观察到了阻变现象(25)， 2报道了在巨磁阻薄膜中观测到了阻变现象，提出了基于阻变的应用(26)。两年后，夏普公司和休斯顿大学在 Pr0.7Ca0.3M 64-bit 的 RRAM 阵列(27)。在 2004 至 2007 年间，Samsung 和现了 3DRRAM 阵列的集成，极大地推进了 RRAM 的应用进首次提出了 RRAM 可应用于神经网络和逻辑电路中(8)，掀。在接下来的 9 年里，无论在学术研究还是工业应用，对阻了极大的进展， UnitySemiconductor 公司成功制造了 64-M29)，SanDisk 公司制造出了 32-Gbit 双层交叉式 RRAM 测试芯
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O611.62

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