ZnO阻变存储器的实验与数值模拟研究

发布时间：2020-06-06 11:39

【摘要】：随着移动终端、云计算、大数据等信息技术的突飞猛进,市场对性能优越的电子产品的需求日益迫切。存储器是限制计算机技术发展最大的阻碍,所以新一代高性能存储器的开发与研究被越来越多人关注。阻变存储器具有存储密度高、擦写速度快和非易失性等优点,拥有极大潜力取代目前市面上主流的闪存(flash)存储器。但经过近二十年的研究,阻变存储器依旧没能取代闪存,这是由于物理机制不明导致无法实现对阻变特性的调控。因此本文用数值模拟的方法研究ZnO阻变存储器的物理机制,为阻变特性的调控提供有效的思路与方法。本文通过研究制备参数对Zn O薄膜形貌以及Al/ZnO/p~+-Si结构阻变存储器阻变特性的影响,得到最优的制备参数,并对该参数下的ZnO阻变存储器进行了表征。研究结果表明溶胶凝胶法制备的Zn O为典型的纤锌矿结构,并且在电场作用下ZnO薄膜内产生了由氧空位构成的导电细丝(conductive filaments,CFs)。然后通过线性拟合发现,最优参数下的Al/ZnO/p~+-Si阻变存储器的高、低阻态分别由蒲尔-弗朗克(Poole-Frenkel,P-F)效应电流和空间电荷限制电流(space charge limited current,SCLC)主导。接着将氧空位浓度因子分别引入两种导电模型,得到与实验数据吻合的电流-电压(I-V)特性曲线。模拟结果说明Al/ZnO/p~+-Si阻变存储器的电阻转变由氧空位浓度决定,并且氧空位通过对电子的捕获和发射实现了对导电机理的主导。最后,利用渗透理论得到了氧空位浓度与电导的关系,并考虑了导电细丝的尖端效应,用统一的模型(渗透模型)实现了对Al/ZnO/p~+-Si阻变存储器I-V特性曲线的模拟。渗透模型不仅给出了导电细丝的生长过程、阻变功能层厚度以及导电细丝直径对阻变特性的影响,还揭示了ZnO阻变存储器基层运转机制:电压决定氧空位分布进而决定电流。
【图文】：

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兰州大学硕士学位论文 ZnO 阻变存储器的实验与数值模拟研究相变存储器（phase-changeRAM,PRAM）、阻变存储器（resistiveRAM,RRAM）。(1)磁存储器磁存储器利用材料的巨磁阻效应存储数据，存储单元为一个磁隧道结，其核心结构为自由磁层/隧穿层/固定磁层[11]，如图 1.1 所示。固定磁层的磁矩方向保持不变，自由磁层的磁矩方向能够随外加电场发生变化，隧穿层将固定磁层和自由磁层分隔开来。当自由磁层的磁矩方向与固定磁层的磁矩方向反平行时，隧穿电子受到较强的散射作用，因此器件在垂直方向上呈现出电阻较大的状态[12]，记为逻辑“0”；当自由磁层的磁矩方向在电场的作用下改变，并且与固定磁层的磁矩方向平行时，隧穿电子受到的散射作用较小，所以在垂直方向上呈现出电阻较小的状态，记为逻辑“1”。由于磁性不易受外界电信号的干扰，因此 MRAM 抗干扰能力强。除此之外，还具备耐受能力强[13]、速度快、功耗低[14]的特性。但是在大规模集成时面临诸多困难，，例如集成时需要串联晶体管，所以难以获得高存储密度；高密度集成时难以避免磁泄露等。

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擦写等优点[19]，但和 MRAM 一样，每一个铁电存储单元sistor）和一个铁电材料充当的电容器（capacitor），即 1T高，同时铁电材料毒性大，这一系列问题严重制约了铁电存储器储器利用能在焦耳热的作用下实现晶态与非晶态相互切存储[20]。其单元结构如图 1.2 所示，在两电极间施加电压导致相变材区域温度改变。当施加宽且低的脉冲电流，相介于晶化温度与熔点之间，相变材料将由非晶态转变为晶，记为逻辑“1”；当施加窄且高的脉冲电流，相变区域料的熔点，导致相变材料由晶态转变为非晶态，即电阻较高0”。相变存储器的写入和擦除过程只需要调节脉冲电流简单，易于高密度集成，同时读取速度快、耐擦写[22]。焦耳热进行相变，因此耗能高，无法实现大规模商业化应
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP333

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