铁电及常规Schottky结双极性阻变的不对称开关速度的研究
发布时间：2020-05-21 06:26
【摘要】：当今社会,人们对高速度、高密度和非挥发性的新型高性能存储器的需求越发强烈。目前使用的闪存已经接近物理和技术极限,下一代新型存储器有铁电存储器、磁存储器、相变存储器和阻变存储器等。其中,铁电存储器已经有商业应用,但破坏性读出、存储密度难以大幅度提高使其难以大规模量产。作为非挥发存储器的重要候选者-阻变存储器,电阻存储所需面积较小而容易实现超高密度存储,并且具有低功耗、高速和非破坏性读出等优势。但是,一般金属氧化物阻变现象的两种主要微观机制中都牵涉到材料的缺陷运动和化学变化,这将引起可靠性如数据保持和疲劳的问题。近年来,研究人员发现铁电极化翻转也伴随有高低电导的变化,这种基于极化翻转的铁电阻变效应尤其受人青睐,因为极化翻转不会导致化学变化,并且小电压下的电阻读出具有非破坏性而无需恢复电路和降低了能耗,具有超高开关速度和高开关比,容易实现高密度存储,有望成为下一代非挥发存储材料。我们采用溅射技术和激光脉冲沉积技术在掺杂浓度0.7%wt的单晶Nb:SrTiO_3衬底上成功制作出了Au/Nb:SrTiO_3/In和Au/BaTiO_3/Nb:SrTiO_3/In器件,并通过X射线衍射仪,原子力显微镜等设备对BTO薄膜的晶体结构和表面形貌进行了初步表征,使用Keithley 2400型数字源表,阻抗分析仪Aglient 4294A,Aglient 33250函数信号发生器,示波器等仪器对器件的电学性质进行了表征,发现在两种器件中有很多有趣的现象,例如都具有大的开/关比、双极电阻开关和连续可调的电阻状态等,我们着重对其中的不对称电阻现象进行了研究和分析。一般来说,基于电子作用的电阻转换应该比基于离子作用~([14])的要快得多。在特定的设备上,设置的速度(高阻态到低阻态转换)和复位速度(低电阻状态到高阻状态转换)的操作是类似的。然而,在我们的Au/Nb:SrTiO_3异质结中发现了不对称电阻开关效应,设置和复位时间分别为10 ns(+5 V)和100μs(-5 V)。于是,提出了一种电子俘获/去俘获结合氧气空位迁移的模型来理解电阻开关速度的差异,由于电子捕获/去俘获的过程比氧空位的漂移要快得多,因此所以由正偏压产生的SET转换(HRS到LRS)比负偏压引起的RESET转换(HRS到LRS)要快得多。而在BaTiO_3/Nb:SrTiO_3肖特基结中同样观察到不对称的电阻开关效应。具体的说,是+8 V偏压下的从高阻态到低电阻状态的SET切换时间为10 ns,而-8 V偏压下从低电阻状态到高阻态的RESET开关时间为10~5 ns。由在BaTiO_3/Nb:SrTiO_3界面中的被电子和氧空位屏蔽的铁电束缚电荷分别在正、负偏压中起着重要的作用。电子的屏蔽进程比氧空位的快得多,因此由正偏压引起的SET转换(HRS到LRS)比由负偏压引起的RESET(LRS到HRS)转换快得多。此外,这种开关具有快速的SET转换和慢的RESET转换,在某些特殊的区域可能有潜在的应用。
【图文】：
图 2-1 阻变式存储器的交叉结构兴的存储器可以在较低的温度下制作在线后端（BEOL），这样可件集成并在 3D 中堆叠[4]。由于所有这些原因，电阻式存储器不常有前景，而且对计算存储器也很有前途，，允许快速数据存取以并且计算架构模糊了存储器和计算电路之间的区别，例如 作为非或神经形态网络[7]。存储器技术中，由于其良好的循环耐久性[8]，中等高速[9]，易于，RRAM 是最有前途的器件之一。 RRAM 对抗 PCM 和 STTRA其结构简单，只是在两层或多层金属层之间插入绝缘层。此外， 中的电流消耗非常低，而 PCM 和 STTRAM 中的编程电流与器味着其几乎不能降至 10 μA 以下。鉴于这种强大的潜力，与 D电容器（1T1C）结构类似，已经提出了使用单晶体管/单电阻器模（> 1GB）RRAM 原型，和 crossbar 体系结构[11]。RRAM 还被
少两个不同的电阻状态之间进行电切换之前，通常需要初始的电铸循环。 图 2-2（a）示出了双极 RRAM 单元在（例如三角或正弦）电压激励时的电流响应的实例，示出了在原点处被钳位的典型滞后 I-V 环。 图 2-2（b）显示了相应的 R-V 曲线。图 2-2（a）RRAM 单元激励电流对电压的响应的示意图（b）I-V 曲线被转换为电电压（R-V）曲线中产生两个独特的电阻状态是电阻式存储器（RRAM）的基本特性，即高电阻状态（HRS）和低电阻状态（LRS），可通过向电池施加电流或拟合电压从一个切换到另一个。基于 RRAM 的非易失性存储器（NVM）的性能得到了 HRS 和 LRS 之间电气支配的电阻开关（RS）的认可。RS 行为可以简单地分为两种类型：单极性和双极性，分别表示不同的电流 - 电压（I-V）出现，分别如图 2-3（a，b）所示[22]。
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP333;TB383.2
本文编号：2673854
【图文】：
图 2-1 阻变式存储器的交叉结构兴的存储器可以在较低的温度下制作在线后端（BEOL），这样可件集成并在 3D 中堆叠[4]。由于所有这些原因，电阻式存储器不常有前景，而且对计算存储器也很有前途，，允许快速数据存取以并且计算架构模糊了存储器和计算电路之间的区别，例如 作为非或神经形态网络[7]。存储器技术中，由于其良好的循环耐久性[8]，中等高速[9]，易于，RRAM 是最有前途的器件之一。 RRAM 对抗 PCM 和 STTRA其结构简单，只是在两层或多层金属层之间插入绝缘层。此外， 中的电流消耗非常低，而 PCM 和 STTRAM 中的编程电流与器味着其几乎不能降至 10 μA 以下。鉴于这种强大的潜力，与 D电容器（1T1C）结构类似，已经提出了使用单晶体管/单电阻器模（> 1GB）RRAM 原型，和 crossbar 体系结构[11]。RRAM 还被
少两个不同的电阻状态之间进行电切换之前，通常需要初始的电铸循环。 图 2-2（a）示出了双极 RRAM 单元在（例如三角或正弦）电压激励时的电流响应的实例，示出了在原点处被钳位的典型滞后 I-V 环。 图 2-2（b）显示了相应的 R-V 曲线。图 2-2（a）RRAM 单元激励电流对电压的响应的示意图（b）I-V 曲线被转换为电电压（R-V）曲线中产生两个独特的电阻状态是电阻式存储器（RRAM）的基本特性，即高电阻状态（HRS）和低电阻状态（LRS），可通过向电池施加电流或拟合电压从一个切换到另一个。基于 RRAM 的非易失性存储器（NVM）的性能得到了 HRS 和 LRS 之间电气支配的电阻开关（RS）的认可。RS 行为可以简单地分为两种类型：单极性和双极性，分别表示不同的电流 - 电压（I-V）出现，分别如图 2-3（a，b）所示[22]。
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP333;TB383.2
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本文编号：2673854
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