透明及柔性金属氧化物薄膜阻变存储器研究

发布时间：2017-08-16 23:27

  本文关键词：透明及柔性金属氧化物薄膜阻变存储器研究

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【摘要】：随着半导体工艺不断向前推进,尤其是进入22nm工艺节点之后,浮栅、沟道和介电层等比例缩小带来物理和技术上的极限,将使得硅基flash半导体存储器面临巨大的挑战,发展新型非易失性存储器迫在眉睫。作为下一代非易失性存储器的有力竞争者,阻变存储器具有结构简单,擦写速度快,功耗低等特点而获得广泛关注。然而随着研究深入,阻变存储器在阻变机制,阻变材料的选择和制备等方面也遇到了不可回避的问题,这在一定程度上也限制了阻变存储器的发展。为此,本论文围绕阻变存储器的单双极性转变机制,透明、柔性阻变存储层材料的选择和制备展开研究。主要工作概括如下： (1)研究了阻变层中阴阳离子缺陷对阻变存储器中电阻开关极性的影响。通过调控Al/ZnOx/Al结构中ZnOx的氧含量,实现了其电阻开关极性从单极性到双极性的转变。在阻变材料ZnO溅射过程中,若纯Ar气氛中溅射,Al/ZnOx/Al表现出稳定的单极性电阻开关特征,而随着溅射气氛中氧分压增加,Al/ZnOx/Al结构表现出明显的双极性特征,并且随着氧分压的增大,结构的高阻态电流明显减小,开关比明显增大。随着电阻开关极性的转变,Al/ZnOx/Al结构中的高阻态电流-电压曲线特征以及载流子输运特征也明显不同。其中在单极性电阻开关中,开关前后载流子输运特征符合欧姆传导,而在双极性结构中,高阻态下的载流子输运特征则表现出空间电荷限制电流传导特征。结合薄膜的荧光光谱研究结果,表明材料中出现的锌填隙和氧填隙分别是引起单极性和双极性开关特征的直接原因,并重点讨论了这两种材料缺陷对Al/ZnOx/Al结构I-V曲线和电输运的影响。 (2)透明阻变材料SnO2:Mn薄膜的制备及Al/SnO2:Mn/FTO阻变存储性质。通过溶胶凝胶方法,制备了透明的SnO2:Mn薄膜,并将其用于Al/SnO2:Mn/FTO(F:SnO2)结构的阻变存储器件中,并研究了其阻变存储性质。结果表明SnO2:Mn/FTO在可见光区域透过率大于75%。电阻开关过程中的I-V曲线表明,器件高阻态的电输运为界面阻挡层AlOx调制的空间电荷限制电流传导。器件在+l V和-1V的开关比都超过了103,且其重置时间小于100ns。 (3)在低温条件下通过深紫外光化学激活溶胶凝胶制备得到金属氧化物薄膜,并将其用于阻变存储介质。实验过程中深紫外光处理阻变层薄膜温度为145℃,该温度低于大部分塑料衬底的玻璃化温度。实验中制备了基于ZnO和Mn掺杂ZnO的阻变存储器件,并对相应的电阻开关性质以及电荷输运性质进行了研究。在高阻态的电荷传输符合Frenkel-Poole发射类型,在低阻态符合欧姆传导定律。另外,在PET衬底利用深紫外光化学激活溶胶凝胶法制备了柔性ZnO薄膜阻变存储器件,并对其机械柔韧性,阻态保持性能和Set, Reset电压进行了研究。
【关键词】：阻变存储器 电阻开关 开关极性 透明 柔性 氧化锌 二氧化锡
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-34
• 1.1 半导体存储器概述10-15
• 1.2 阻变存储材料及阻变机制研究现状15-22
• 1.3 透明RRAM和柔性RRAM研究现状22-30
• 1.4 纳米压印技术制备RRAM研究现状30-31
• 1.5 选题意义和主要研究内容31-34
• 2 阴阳离子缺陷对电阻开关极性的影响34-52
• 2.1 引言34
• 2.2 ZnO_x薄膜及器件制备工艺34-38
• 2.3 ZnO_x薄膜组织结构特征38-39
• 2.4 Al/ZnO_x/Al RRAM电致阻变行为39-48
• 2.5 阴阳离子缺陷影响的开关极性转变机制48-51
• 2.6 本章小结51-52
• 3 透明SnO_2：Mn薄膜阻变存储器研究52-76
• 3.1 引言52
• 3.2 透明SnO_2：Mn薄膜及器件制备过程52-55
• 3.3 SnO_2：Mn薄膜组织结构特征55-63
• 3.4 Al/SnO_2：Mn/FTO RRAM电阻转变行为63-69
• 3.5 界而效应调制的SCLC传导机制69-75
• 3.6 本章小结75-76
• 4 柔性氧化锌薄膜阻变存储器研究76-101
• 4.1 引言76-77
• 4.2 低温制备氧化锌薄膜及柔性RRAM77-80
• 4.3 薄膜结构分析80-86
• 4.4 电阻开关特性及Frenkel-Poole输运机制86-96
• 4.5 柔性RRAM电阻开关特征96-100
• 4.6 本章小结100-101
• 5 基于纳米压印技术制备阻变存储器模板初步研究101-110
• 5.1 引言101
• 5.2 纳米点阵和十字交叉型器件结构设计101-102
• 5.3 实验方案102-106
• 5.4 光子晶体图案和硅模板的制备研究106-109
• 5.5 本章小结109-110
• 6 总结和展望110-112
• 致谢112-113
• 参考文献113-126
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录126-127

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本文编号：686099