基于有机—无机杂化钙钛矿材料的阻变存储器行为研究及其性能优化

发布时间：2020-04-29 02:21

【摘要】：依赖于浮置栅极结构的传统存储器件闪存受限于其物理本质遭遇了发展瓶颈,为了满足快速发展的信息存储需求,新一代存储器件的研发势在必行。在目前科研人员关注的几类新型存储器中,阻变式随机存储器(RRAM)以其在器件结构、存取速度、循环寿命等方面的独特优势被认为是下一代存储器件最有力的候选者之一。对于RRAM器件而言,阻变层材料对其性能有着很大的影响,多种材料体系的器件在不同的应用领域具有特殊的潜力,其中有机-无机杂化钙钛矿材料具有制备工艺简便、带隙可调、光电响应好等优势,对于阻变器件的多模式应用、尤其是光电结合应用具有重要的意义。因此,本文选用基于CH_3NH_3PbI_3(下文简称为MAPbI_3)材料的阻变器件,针对其阻变行为和性能优化进行了以下研究:MAPbI_3阻变存储器件制备及电学特性:(1)采用两步法获得稳定MAPbI_3薄膜并以此制备Al/MAPbI_3/FTO结构存储器件,器件自限制稳定循环、电阻转变迅速(小于100ns);(2)研究了递进幅值脉冲对器件电阻状态的影响,通过控制脉冲幅值实现了器件电阻变化由数字式突变向模拟式缓变的转换,器件阻态在50?至800?范围内可调节,在神经突触仿生、记忆行为模拟等领域具有一定的应用潜力;(3)研究了限制电流对器件保持特性的影响,通过施加不同大小的限制电流(5 mA-500μA)实现了器件保持时间的调控和阻变行为由非易失性向易失性的转变,并在器件的易失性行为中发现了量子电导的现象,在高密度存储、原子开关等领域具有一定的应用潜力;(4)研究了器件的电阻转换机制,通过I-V曲线拟合及变温测试证明了器件电阻转换的物理本质是基于碘离子迁移的空位导电通道机制。MAPbI_3阻变存储器件性能优化方法:电激活过程中碘空位的过量产生及循环过程中碘空位通道的增殖,会对器件阻变性能产生极大的影响,针对以上两方面问题,我们设计了可见光辅助的电激活过程和引入α-C阻挡层两种方法对器件运行可靠性进行优化。(1)通过使用可见光辅助的电激活过程方法,器件窗口值由7提升至20、功耗由17.95 mW降低至0.87 mW、阻态离散系数由23.02%/43.50%(HRS/LRS)降低至7.93%/20.08%。通过实验验证了阻变性能优化的机制可以归因于可见光辐照降低碘离子激活能(即降低形成电压)对过充电流的抑制作用和光生载流子对寄生电容效应的削弱作用;(2)通过引入α-C阻挡层的方法,器件窗口值由10提升至18、功耗由653μW降低至74μW、高阻态离散系数由48.92%降低至17.60%。通过实验分析判断器件优化机制可以归因于α-C阻挡层对碘挥发的抑制作用。
【图文】：

动在产生定向电流的同时，也有部分能量较高的电子越过绝缘层并进入置栅极(即热电子注入过程)，由于浮置栅极被绝缘层包裹，进入电极的电尽能量后会被限制其中，在通常情况下电荷可以保持数年不会逸散。浮的擦除过程可以使用类似的方法施加能量较高的电场使电子具有足够的来完成。

神经突触学习网络方面的应用潜力[22]。这一发现激起了人们的热情，后续研究者们发现在大量不同的材料体系中均存在着可应用与存储领域的阻变现象，并针对其应用、原理、工业化集成等细分领域进行了一系列的研究[23]。如图 1.2 所示，通常情况下阻变式随机存储器(RRAM)由金属导体电极层/电介质层(绝缘体或半导体)/金属导体电极层的三层结构组成。器件在电场作用下，初始态(InitiaState/IS)的电介质层中形成的导电通路使得器件电阻值降低，器件转变为低阻态(LowResistance State/LRS) 并可以长期保持，这个过程称为电激活过程 (ElectroforminProcess)；由于该导电通路的形成过程是可逆的，通过施加电场产生的焦耳热效应可以部分断开导电通路，使得器件转变为高阻态(High Resistance State/HRS)并可以长期保持这个过程称之为关闭过程(Reset Process)；当再次对器件施加电场时，部分断开的导电通路可以再次连接并使器件转换为低阻态，称之为开启过程(Set Process)。在电激活过程和开启过程中，为了防止流经器件的电流过大进而击穿器件，，通常会施加一个限制电流(Compliance Current/Ic)来保护器件。器件的高阻态、低阻态可以分别对应逻辑 0、逻辑1两种不同的状态，而开启过程和关闭过程则可以对应写入、擦除操作，从而实现基本的存储功能。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP333

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本文编号：2644121