NiO忆阻器阻变机理及器件研究

发布时间：2019-11-04 07:34

【摘要】：随着半导体技术的发展,可缩小性(scalability)已成为目前主流的非挥发存储技术——Flash存储器的技术瓶颈。为了满足当今信息技术对于超高密度存储技术的需要,多种新型存储器被提出,其中忆阻器由于具有结构简单、操作电压低、耐久性好和多级存储等特性,被认为是替代Flash存储最具潜力的存储技术之一。目前在多元氧化物、固态电解质、有机材料和二元氧化物等众多材料中均观察到了阻变效应,其中NiO因其成分简单及CMOS兼容性良好而被认为是最具潜力的阻变材料之一。但是基于NiO材料的忆阻器仍存在众多亟待解决的问题:如阻变机理尚不明确、器件参数的一致性较差、存储窗口较低等。针对以上问题,开展了NiO忆阻器的阻变机理研究,分析了氧化物组成、结晶、导电丝等特性对阻变性能的影响;研究了制备条件、插层等对阻变性能的影响,并找到了大幅度提高存储窗口的可行途径,为多级存储的实现奠定了坚实的基础;利用静电纺丝方法制备了柔性NiO忆阻器,为其在低成本柔性领域的应用提供了新的技术路线。主要研究内容如下:(1)制备条件的变化会对氧化物的微观结构等造成极大影响,进而显著影响器件的性能,因此对制备条件的研究一直是学术界研究的热点。本论文针对制备条件对忆阻器性能的影响开展了详细的研究。在反应溅射过程中,通过改变溅射气体成分可显著影响忆阻器的性能,首先探寻了溅射气体成分对存储窗口、电阻分散性等的影响,当溅射气体氧分压为10%时器件的阻变性能最好;其次,在利用快速退火工艺对阻变单元进行后退火处理的过程中,通过改变退火气氛,在空气中退火的样品经过适当二次氧化,可显著提高存储单元的阻变性能;通过调整退火温度,可优化薄膜的组成成分及结晶状态,从而影响器件的存储窗口、稳定性等参数;而通过对退火时间的调节,可有效调控薄膜的应力状态,从而在根本上改变器件的阻变机理,实现多种模式的阻变效应。该研究为后期提高器件性能打下了坚实的基础。(2)目前,忆阻器的转变机理主要分为以界面为基础的整体效应和基于导电丝机理的局域效应。在局域效应型忆阻器中,导电丝的形成和断裂直接影响着器件的宏观电学性能,因此对导电丝状态的研究一直是学术界关注的焦点。首先,通过对比以Au和Co作为顶电极的忆阻器的电学性能,发现不同顶电极的忆阻器中导电丝的形成/断裂机理不同。其中Au/NiO/Pt器件是典型的热熔断机理,器件在正向和负向形成单极转变;而Co/NiO/Pt器件是典型的电化学机理(ECM),通过Co离子的移动,使导电丝形成和断裂,实现器件的双极转变。其次,目前忆阻器已从单纯的三明治结构延伸至多层结构,以改善器件的性能。利用Ta作为插层,通过分析不同器件的I-V曲线特性,深入研究了Ta插层对导电丝状态的影响。发现随着插层位置、厚度和数量的变化,电流突增的现象和转变电压等均发生了明显改变,该研究为多层忆阻器的设计提供了有利的指导。最后,由于忆阻器是通过电激励作用实现电阻的变化,在使用过程中会产生大量的焦耳热,因此研究器件的热效应对提高器件的稳定性等具有十分重要的意义。分别利用有限元和有限差分方法对导电丝热效应进行了计算,两种方法计算结果的一致性较好,证明了导电丝成分、导电丝直径、限流作用等均会对器件的热效应产生影响,为设计具有优异性能的忆阻器提供了有效的指导。(3)随着对忆阻器的研究向应用领域迈进,通过调控器件性能,使其在满足基本存储性能的同时实现器件性能多元化,拓宽其应用范围已成为当今忆阻器的发展趋势。基于此,首先通过沉积不同的插层,调节界面状态和氧化层的性能,提高了存储窗口,进而在此优异性能的基础上实现了器件的多级存储,增加了器件的存储密度;其次,通过研究不同顶电极的NiO忆阻器,证明了电极的氧化物标准自由能与转变电压呈反比关系,从而为调控器件的转变电压提供了新的途径。(4)21世纪以来,通过新的技术方法制备成本低廉性能优异的柔性电子器件已逐渐成为新型电子器件研究的热点。利用静电纺丝方法首先制备了柔性NiO纤维;通过微流量系统,制备了高纯度的柔性银电极,且获得了极高的电导率;最后,将NiO纤维与银电极进行组装,实现了典型的阻变效应。该方法为制备低成本的NiO柔性忆阻器提供了新的途径。
【图文】：

光敏型,铁电存储器,基本性能

电子科技大学博士学位论文近些年来，自旋转移矩（Spin Transfer Torque, STT）的物理效应给新型磁存储器指明了发展方向[15,16]。由于其具有降低传统磁存储功耗的潜力，使学术界重新燃起了对该技术的研究兴趣，并且在高密度存储方面获得了新的希望。1.3.3 铁电存储器铁电随机存取器（FRAM），是一种随机存取存储器技术。铁电存储的原理是铁电材料基于外电场条件下的极化反转，结构通常为金属-铁电层-金属电容。其中“0”“1”信号分别代表非挥发存储的正向或反向极化状态，读取操作主要通过位移电流完成。基于优异的电学性能，如读取和写入时间小于 100ns、较低的功率等，铁电存储已成为下一代非挥发存储器的有力竞争者之一，与其他非挥发存储器相比具有很大的优势[17]。

曲线,存储器结构,电流脉冲,相变

电子科技大学博士学位论文阻态和高阻态。器件的初始态为低阻态，材料呈现结晶相温度足以使其发生结晶的相变。为了实现 RESET 转变，在时间的脉冲电流，使得相关区域融化并淬火，此过程会形成为高阻态。在 SET 过程中，通过一个适中的脉冲电流使相度与融化温度之间，实现器件的退火并具有适当的保温时使器件转化为低阻态。在读取存储状态的过程中，利用一此电流不能影响器件的结晶状态，，脉冲电流曲线如图 1-2(
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN60

【参考文献】