基于第一性原理的HfOx忆阻器电输运机制研究

发布时间：2020-05-17 02:41

【摘要】：由于信息化社会的高速深入发展,市场对高密度、低成本、高可靠性的存储硬件要求越来越严苛。忆阻器作为最具潜力的下一代非易失存储器,具有高速擦写、低功耗、结构简单、易于3D集成、逻辑运算、与现有CMOS工艺相兼容等优点。其优越的性能使得信息的存储与处理合为一体成为可能,有望突破现有的计算机存算分离架构。此外,忆阻器的可多值阻变调控,必将使其在未来神经形态计算中大放异彩。清晰的阻变机制是实现高性能存储和计算功能调控的首要科学问题。目前,忆阻器的阻变物理机理认识尚未清晰,严重的制约高性能忆阻器的制备和调控。HfO_2以其优异的阻变性能和CMOS工艺兼容等优势是众多忆阻材料中最有希望产业化应用的忆阻器阻变材料。目前,HfO_2最常见的电阻转变机制为导电丝通断机制,本研究利用第一性原理来探究不同导电丝类型的理论建模和电输运计算,以期为忆阻器的制备和性能调控提供理论指导。本文利用密度泛函理论结合非平衡格林函数的方法计算导电丝型HfOx忆阻器的电子透射谱和伏安特性曲线。分别构建了无缺陷HfO_2模型、氧空位链导电丝模型,Hf金属丝模型、高导电相导电丝模型。通过修正空穴自能势的GGA-1/2方法可更加准确的计算出半导体体系的带隙,准确的带隙计算确保了Pt/HfOx/Pt模型准确的界面肖特基势垒及偏压下的电流。进一步,讨论了不同含量的间隙氧对界面势垒的影响。这些电传输模型的深入研究必将为高性能忆阻器的研制提供坚实的理论基础。
【图文】：

日新月异的时代，而驱动这个时代发展的息化社会的基石，，存储器的发展影响着人随着半导体行业的发展，半导体器件逐渐目前计算机采用的“冯·诺依曼体系结构墙”问题制约了信息处理的速度，发展存点。流产品是闪存（Flash），它不仅功耗小、随着移动电子设备和 SSD（Solid State Dis他的存储器牢牢占据着榜首，2015 年占据也渐渐满足不了人们严苛的需求，于是业半导体各大巨头三星、英特尔等都推出了主研发 32 层 3D NAND 闪存芯片也开始投擦写电压较高，导致其可提升的空间不大

薛堪豪[27]等在讨论 HfOx 忆阻器导电细丝尺寸方面做出了大量的工作。他们立了横向直径不同的导电细丝，如 1-2 右图所示。在相同的单斜 HfO2超胞中，沿轴缺少氧原子的路径作为导电细丝，如图中绿色的部分。所建模型中每根导电细丝间的影响可以忽略不计。1-2 左图给出了不同横向尺寸的导电细丝的电子态密度。以看出在导电细丝横向尺寸很小的情况下导电细丝为非导电态，只有当横向面积于 0.4nm2时导电细丝才起到导电作用。Celano[28]等利用导电原子力显微镜 AFM(conductive atomic force microscopy)研究双极性 Hf/HfO2/TiN 阻变存储器导电丝的性质，直接观察到锥形导电细丝，在活性电极的一端导电细丝的横截面积38.9nm2,在惰性电极的一端只有 7.8nm2，说明计算结果与实际观测到的导电细丝尺寸有一定的差异。这可以解释为，在实际情况中 Hf 金属容易聚集在一块，横向寸大的金属细丝的能量更低，更加稳定。而计算得到的结果只是导电细丝可以将功层转换为金属态的最小横向面积。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP333

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本文编号：2667793