非晶碳薄膜石墨化的形貌调控及其对阻变存储器性能提升研究

发布时间：2020-04-22 23:55

【摘要】：随着科学技术的不断进步,我们已经进入了一个信息产业规模化的时期,信息存储技术已经渗透到了各行各业。阻变存储器(RRAM)因具备简单的结构、高存储密度、低功耗、运行速度快的特点而被广泛关注,并且RRAM在信息存储、逻辑运算、神经突触模拟等方面具有巨大的应用潜力。阻变存储器具有金属-半导体-金属(Metal-Insulator-Metal)的MIM“三明治”结构,其中Metal层为顶电极和底电极,Insulator层为夹在两电极中间的阻变绝缘层材料。目前,由金属阳离子和氧空位所构成的导电细丝的通断被广泛认为是RRAM器件的阻变机制。由于简单的三层结构,导电细丝的形成与断裂的位置、尺寸、和微观形貌具有很大的随机性,从而直接影响了RRAM的运行稳定性。通常的解决办法是改造传统器件结构模型,使内部电场的分布更加局域化,减小导电细丝生长的随机性,提高RRAM器件稳定性。而非晶碳(a-C)材料作为一种内部结构可调性的环保材料,可以利用其石墨化的特点,制备出具有良好导电性的纳米级岛状石墨(Graphite microislands,GMs)薄膜,将其运用到RRAM性能提升的研究中。本文将利用非晶碳石墨化的调控手段,对制备高稳定性RRAM的方法进行探索,主要研究内容如下:1.利用金属铜(Cu)和镍(Ni)对非晶碳薄膜进行催化工艺调控,实现非晶碳向石墨化的转变。随后控制不同的退火温度、碳层厚度,对非晶碳材料石墨化程度进行了详细调控。通过一系列实验数据分析,表明金属Ni是优良的非晶碳石墨化催化剂。并利用Ni对非晶碳进行催化,制备出具有良好导电性的GMs薄膜,为后期调控RRAM器件提供材料基础;2.开展非晶碳石墨化对RRAM性能提升的研究。非晶碳石墨化获得的GMs薄膜作为RRAM器件插层置于底电极与阻变层之间,利用GMs能够局域电场的作用,从而提升RRAM运行的稳定性。为了验证该方法的普适性,我们将GMs薄膜插层分别运用到碳基RRAM和金属氧化物RRAM器件中。我们制备了Cu/a-C/GMs/Ni和Au/Ta_2O_5/GMs/Ni的改良RRAM器件,同时,为了对比研究我们也制作了Cu/a-C/Ni和Au/Ta_2O_5/Ni对比器件;然后分别对改良前后的器件进行详细测试,将测试结果进行对比分析,验证了当有GMs存在时,具有尖端导电的石墨会起到局域电场的作用。有效的减弱器件中导电细丝生长的随机性,使RRAM在运行过程中表现出良好的稳定性和循环耐久性,本工作为改善RRAM的性能研究提供了一种有效方法。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP333;TB383.2;O613.71

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本文编号：2637118