NiO憶阻器阻變機理及器件研究.pdf

1、隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，可縮小性（scalability）已成為目前主流的非揮發(fā)存儲技術(shù)——Flash存儲器的技術(shù)瓶頸。為了滿足當今信息技術(shù)對于超高密度存儲技術(shù)的需要，多種新型存儲器被提出，其中憶阻器由于具有結(jié)構(gòu)簡單、操作電壓低、耐久性好和多級存儲等特性，被認為是替代Flash存儲最具潛力的存儲技術(shù)之一。目前在多元氧化物、固態(tài)電解質(zhì)、有機材料和二元氧化物等眾多材料中均觀察到了阻變效應，其中NiO因其成分簡單及CMOS兼容性良好而被認為是最

2、具潛力的阻變材料之一。但是基于NiO材料的憶阻器仍存在眾多亟待解決的問題：如阻變機理尚不明確、器件參數(shù)的一致性較差、存儲窗口較低等。針對以上問題，開展了NiO憶阻器的阻變機理研究，分析了氧化物組成、結(jié)晶、導電絲等特性對阻變性能的影響；研究了制備條件、插層等對阻變性能的影響，并找到了大幅度提高存儲窗口的可行途徑，為多級存儲的實現(xiàn)奠定了堅實的基礎；利用靜電紡絲方法制備了柔性NiO憶阻器，為其在低成本柔性領(lǐng)域的應用提供了新的技術(shù)路線。主要研究

3、內(nèi)容如下：
　?。?）制備條件的變化會對氧化物的微觀結(jié)構(gòu)等造成極大影響，進而顯著影響器件的性能，因此對制備條件的研究一直是學術(shù)界研究的熱點。本論文針對制備條件對憶阻器性能的影響開展了詳細的研究。在反應濺射過程中，通過改變?yōu)R射氣體成分可顯著影響憶阻器的性能，首先探尋了濺射氣體成分對存儲窗口、電阻分散性等的影響，當濺射氣體氧分壓為10％時器件的阻變性能最好；其次，在利用快速退火工藝對阻變單元進行后退火處理的過程中，通過改變退火氣氛，在

4、空氣中退火的樣品經(jīng)過適當二次氧化，可顯著提高存儲單元的阻變性能；通過調(diào)整退火溫度，可優(yōu)化薄膜的組成成分及結(jié)晶狀態(tài)，從而影響器件的存儲窗口、穩(wěn)定性等參數(shù)；而通過對退火時間的調(diào)節(jié)，可有效調(diào)控薄膜的應力狀態(tài)，從而在根本上改變器件的阻變機理，實現(xiàn)多種模式的阻變效應。該研究為后期提高器件性能打下了堅實的基礎。
　　（2）目前，憶阻器的轉(zhuǎn)變機理主要分為以界面為基礎的整體效應和基于導電絲機理的局域效應。在局域效應型憶阻器中，導電絲的形成和斷裂直

5、接影響著器件的宏觀電學性能，因此對導電絲狀態(tài)的研究一直是學術(shù)界關(guān)注的焦點。首先，通過對比以Au和Co作為頂電極的憶阻器的電學性能，發(fā)現(xiàn)不同頂電極的憶阻器中導電絲的形成/斷裂機理不同。其中Au/NiO/Pt器件是典型的熱熔斷機理，器件在正向和負向形成單極轉(zhuǎn)變；而Co/NiO/Pt器件是典型的電化學機理（ECM），通過Co離子的移動，使導電絲形成和斷裂，實現(xiàn)器件的雙極轉(zhuǎn)變。其次，目前憶阻器已從單純的三明治結(jié)構(gòu)延伸至多層結(jié)構(gòu)，以改善器件的性能

6、。利用Ta作為插層，通過分析不同器件的I-V曲線特性，深入研究了Ta插層對導電絲狀態(tài)的影響。發(fā)現(xiàn)隨著插層位置、厚度和數(shù)量的變化，電流突增的現(xiàn)象和轉(zhuǎn)變電壓等均發(fā)生了明顯改變，該研究為多層憶阻器的設計提供了有利的指導。最后，由于憶阻器是通過電激勵作用實現(xiàn)電阻的變化，在使用過程中會產(chǎn)生大量的焦耳熱，因此研究器件的熱效應對提高器件的穩(wěn)定性等具有十分重要的意義。分別利用有限元和有限差分方法對導電絲熱效應進行了計算，兩種方法計算結(jié)果的一致性較好，證

7、明了導電絲成分、導電絲直徑、限流作用等均會對器件的熱效應產(chǎn)生影響，為設計具有優(yōu)異性能的憶阻器提供了有效的指導。
　?。?）隨著對憶阻器的研究向應用領(lǐng)域邁進，通過調(diào)控器件性能，使其在滿足基本存儲性能的同時實現(xiàn)器件性能多元化，拓寬其應用范圍已成為當今憶阻器的發(fā)展趨勢?；诖?，首先通過沉積不同的插層，調(diào)節(jié)界面狀態(tài)和氧化層的性能，提高了存儲窗口，進而在此優(yōu)異性能的基礎上實現(xiàn)了器件的多級存儲，增加了器件的存儲密度；其次，通過研究不同頂電極的