氧化钛阻变器件开关特性对尺寸和环境湿度依赖性的研究

发布时间：2019-09-23 22:56

【摘要】：当前,传统硅半导体技术的节点尺寸逐步逼近其物理极限,寻找新型的替代材料和器件已经成为迫在眉睫的任务。近二十年来,电致阻变现象不仅因其丰富的物理效应而在应用物理研究领域中备受关注,而且其在大容量非易失性存储器上的应用潜力也受到诸如英特尔、镁光、三星、东芝等国际知名半导体存储器厂商的青睐。较之其他新型存储器,阻变存储器在擦写速度、存储密度以及功耗等多项指标上都具有优势,但是复杂的物理机制导致其性能的稳定性不足,器件的关键参数会受到诸如尺寸、环境等因素的影响,阻碍了其产业化进程。本文的工作以Pt/TiO2/Pt结构的单极型阻变器件为对象,研究器件的性能对尺寸和环境湿度的依赖性,总体可分为模拟和实验两部分。在模拟部分,我们先后建立了静态模型和动态模型，分别模拟低阻态器件在恒压下的焦耳热过程和在脉冲电压下的“关断”(Reset,从低阻态转变为高阻态)过程,着重考察器件尺寸对两者的影响。在实验部分,我们关注器件在不同环境湿度下的阻变行为,对器件的形貌变化以及阈值电压与湿度的关系进行了深入研究。主要工作如下：一、发现了纳米尺寸单极型阻变器件中的“增强的焦耳热效应”。对交叉矩阵(crossbar)结构的器件在恒压下的温度和热流分布的计算结果表明,器件的尺寸减小后,由于材料电、热导率和界面面积的减小,器件中的主要传热路径被改变,器件的等效热阻升高。在同样的热功率下,更小尺寸的器件可以获得更高的峰值温度；相应地,如果导电细丝要达到相同的峰值温度,小尺寸器件需要的电压和热功耗更低;二、确认了单极型阻变器件的Reset速率和功耗与器件尺寸的关系。我们以离子的迁移机制为基础建立动态模型,模拟器件在脉冲电压下的Reset过程。结果表明,器件的Reset过程大致可分为两个阶段：第一阶段以热作用为主导,电流快速降低,温度迅速升高,在导电细丝中形成高阻区域；第二阶段电热混合作用,电流小幅变化,温度降至稳定值,导电细丝近似断开。第一阶段的速率与脉冲幅值和器件尺寸都有关系,电压越高或尺寸越小,该阶段的速率越快：而要达到相同的速率,则尺寸更小的器件需要的电压更低,消耗的能量也更少,符合前一部分的预测：三、报道了阻变器件中的电解水反应。利用直流反应溅射Ti金属靶材的方法沉积TiO2-x薄膜,制备了Pt/TiO2-x/Pt单极型阻变器件。当测试环境的湿度高于10%时,在正向电压下的“形成”(Forming,从初始态转变为低阻态)过程中,器件上出现了大小超过上电极范围的气泡，但在干燥氮气环境中或者负向电压下操作时,气泡却不会出现。不同于文献中报道的由于氧化物薄膜中的氧离子在阳极被氧化所形成的氧气气泡,这些气泡被证实位于阴极下方,是由于水的电解产生氢气引发的。环境中的水分子被吸附于薄膜表面后,分解产生质子并迁移至阴极,被还原成氢气。但在负向电压下,由于氢氧根在TiO2-x薄膜中的迁移受限,阳极反应受阻,所以水的电解被抑制,无法产生气泡：四、研究了阻变阈值电压对环境湿度的依赖性。在Pt/TiO2-x/Pt器件中,如果TiO2-x薄膜改用射频溅射Ti02靶材的方法生长,则器件即使在潮湿环境中工作也不会产生气泡。介电测试结果表明,射频溅射器件的电容随湿度的变化,相比直流反应溅射器件要小得多,而电容的变化正是来自于吸附水分子的极化。由此可知,射频溅射薄膜对水的吸附量很小,无法产生足够的氢气以形成气泡。不过,水分子在器件表面的吸附仍能对器件的阻变性能产生影响。实验结果表明,水分子的吸附改变了上电极界面的势垒,使得正偏电流增大,而反偏电流变化很弱。因此,正向电压下操作时,湿度越高,电流越大,阻变层的分压越大,电场越强,离子迁移越快,器件可以在更低的电压下完成Forming,而负向电压下操作时却没有以上效应。此外,在Forming之后的开关操作中,由于电极／氧化物肖特基势垒的消失,无论正负,阈值电压都与湿度无关。
【图文】：

对比图,器件,电压,单板

单极型（Ｕｎｉｐｏｌａｒ民ｅｓｉｓｔｉｖｅＳｗｉｔｅｈｉｎｇ，Ｕ民Ｓ）和双极型（Ｂｉｐｏｌａｒ民ｅｓｉｓｔｉｖｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇ，逡逑ＢＲＳ）。顾名思义，ＵＲＳ器件的Ｒｅｓｅｔ／Ｓｅｔ操作可Ｗ在同向极性的电压下进行，而逡逑ＢＲＳ则必须在相反极性的电压下进行，两者的区别可通过对比图１．１邋（ａ）和逡逑（ｂ）

器件,电板,金属,阳离子型

阳离子型器件是非对称结构，具有ＢＲＳ，对操作电压有天然选择性，逡逑即必须在活泼电极作阳极时才能Ｆｏｒｍｉｎｇ／Ｓｅｔ，作阴极时才能民ｅｓｅｔ。阳离子型器逡逑件的阻变过程属于典型的电化学过程Ｐ２－２４］，类似于电解－电辕反应，具体见图１．２逡逑描述，器件转变为ＬＲＳ的关键在于电极之间形成了一条由金属原子构成的金属逡逑细丝（ＭｅｔａｌｌｉｃＦｉｌａｍｅｎｔ），而转变为ＨＲＳ的关键在于电压反向时惰性电极无法提逡逑供可迁移离子而导致细丝断开。逡逑不过，，图１．２只是描述了金属细丝的一种形成模式，实际上，金属细丝的生逡逑３逡逑
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP333

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