氧化物阻变存储器的性能调控及功能化基础

发布时间：2017-12-07 02:00

  本文关键词：氧化物阻变存储器的性能调控及功能化基础

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【摘要】：半导体存储器是电子设备最基本的元器件之一,也是现代信息技术的重要组成部分。然而随着技术的快速发展,制造工艺逐渐遇到瓶颈,晶体管线宽逐渐接近量子级别,而人们对晶体管的处理能力、单位容量的要求却不断增加,新型的存储器件逐渐成为研究的热点。阻变存储器作为一种新型的非易失性存储器,在功耗、容量、速度、寿命等方面都具有非常大的优势。在诸多材料体系中,氧化物阻变存储器被认为是最具应用潜力的一种。然而针对阻变存储器的阻变机理,仍然需要进一步的研究；阻变存储器更多功能化的应用仍需继续探索。为此,本文主要围绕ZnO材料,利用其介电性能优异、制备方法多样和性能调控容易的优势,作为阻变材料构建阻变存储器,来研究阻变存储器的运行机理,并据此对其性能进行调控；同时使用性能稳定的Ta_2O_5材料构建阻变存储器,与摩擦发电机集成,实现对触摸信号记忆的功能化应用。使用水热法在AZO导电玻璃上一步法合成了ZnO纳米棒阵列薄膜,并使用氢气快速退火的方法,在ZnO薄膜表层引入一层高氧空位浓度的ZnO层,作为氧空位的“蓄水池”；分别使用原子层沉积和电化学沉积的方法,在AZO薄膜上生长ZnO薄膜,并通过空气中不同温度退火和合成参数调节的方法对其电学性能进行调控。构建Au/ZnO NRs/AZO结构的阻变存储器,并通过氢气退火的方法,在ZnO薄膜表层引入一层高氧空位浓度的薄层,将器件的开关比由10提升至104,SET电压降低1V。根据电流突变的特性、与量子电导的比较,确定构建器件的阻变类型为导电细丝控制的突变型。通过改变施加电压的扫描速度,确定阻变的时间相关特性,并利用量子电导与阿仑尼乌斯活化理论加以验证。构建Au/ZnO Film/AZO结构的阻变存储器,并通过空气退火的方法,降低氧化锌薄膜中的载流子浓度,削弱屏蔽效应的作用,从而使器件产生阻变特性。通过C-AFM测试确定阻变过程中导电细丝的形成与断裂,且导电细丝的直径在1O nm以下。通过退火处理和电子发射机制的讨论验证屏蔽效应的存在,并通过空气中不同温度退火对屏蔽效应进行调控,以达到增强器件性能的作用,器件的开关比最大可达105。构建Au/ZnO Film/AZO结构的阻变存储器。通过不断增加ZnO薄膜中的载流子浓度,因屏蔽效应的存在,器件的阻变特性随ZnO薄膜中载流子浓度增加而逐渐减弱,器件也逐渐失效。在器件逐渐失效过程中,阻变存储器的阻变类型由初始的导电细丝控制的突变型、先变成界面控制的缓变型、直至后来的阻变特性消失。比较器件在高阻态和低阻态阻值随载流子的变化,发现器件在低阻态下的电阻变化不明显,性能的降低主要源于高阻态的电阻不断降低。通过COMSOL软件模拟确定载流子浓度的增加会降低阻变层中,的电势梯度,引起器件失效。构建Au/Ta_2O_5/AZO结构的阻变存储器,并与PTFE/Al结构的单电极摩擦发电机集成,用于对触摸信号的记忆。根据阻变存储器在高低阻态下的电阻值,调控摩擦发电机在同等外阻下的输出电压,使其略大于阻变存储器的SET电压,以驱动阻变存储器进行阻变;同时防止摩擦的反向电压将触摸信号擦除。通过COMSOL软件进行了模拟验证。将集成单元进行阵列式组合则可实现触摸轨迹的探测与记忆。整个集成系统工作期间是自驱动的,记忆过程完全不需要外加电源。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP333

【参考文献】

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本文编号：1260717