金屬氧化物阻變機(jī)理及器件研究.pdf

1、金屬氧化物中的阻變現(xiàn)象是當(dāng)前固體物理研究領(lǐng)域受到人們廣泛研究的前沿性基礎(chǔ)課題,表現(xiàn)為金屬氧化物介質(zhì)材料在外電場控制下發(fā)生的不同電阻態(tài)之間的可逆變化,這種變化的電阻態(tài)在電場撤銷后仍然能夠保持。對阻變現(xiàn)象的研究不但有利于深入理解固體物理的相關(guān)理論,還可以將其應(yīng)用于信息數(shù)據(jù)存儲等技術(shù)領(lǐng)域?；谧枳儸F(xiàn)象的電子器件(稱為阻變器件)顯示出了巨大的實(shí)用價(jià)值,是當(dāng)前微電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中,阻變存儲器相對于傳統(tǒng)電荷型存儲器具有明顯的優(yōu)勢,例如可以同時(shí)

2、兼?zhèn)浼{秒量級的讀寫速度,低操作電壓,非揮發(fā)多值數(shù)據(jù)存儲,以及更好的尺寸縮小能力,因此被認(rèn)為是最有希望的新型存儲技術(shù)之一。此外,基于阻變現(xiàn)象的憶阻器被認(rèn)為是第四種基本電路元件,基于阻變現(xiàn)象的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高效并行運(yùn)算,能夠用于實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的邏輯運(yùn)算功能。
　　在不同的應(yīng)用需求下,阻變器件的研究和應(yīng)用還面臨著一系列重大的挑戰(zhàn):首先是一些關(guān)鍵的科學(xué)問題需要澄清和解決,如金屬氧化物阻變現(xiàn)象的微觀物理機(jī)理尚不清楚,這使得人們對影響阻變

3、器件特性的本征與非本征因素及其物理效應(yīng)、技術(shù)發(fā)展的局限性和有效解決途徑難以鑒別和評估。其次,目前器件性能還無法滿足技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的需求,尤其在關(guān)鍵的阻變特性,如均一性、操作電流、可靠性、多態(tài)阻變能力等方面仍有待進(jìn)一步優(yōu)化。此外,阻變器件的材料,結(jié)構(gòu),工藝制備和集成制備技術(shù)還不成熟,在存儲器陣列和邏輯功能電路中的應(yīng)用前景和技術(shù)限制仍有待評估。
　　本論文針對阻變器件技術(shù)發(fā)展的需求及所面臨的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題,在阻變現(xiàn)象的微觀物理機(jī)制

4、、阻變特性的模型模擬、阻變器件性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)、阻變器件的實(shí)現(xiàn)與制備工藝、存儲器集成技術(shù)解決方案、以及阻變器件在邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用展開了系統(tǒng)的研究,主要研究工作和所取得的創(chuàng)新研究成果包括:1.在國際上首次提出關(guān)于金屬氧化物阻變效應(yīng)的統(tǒng)一機(jī)制,闡明了金屬氧化物
　　阻變器件中發(fā)生單、雙極阻變的微觀物理起源。其中forming和SET過程是由電場與熱效應(yīng)誘導(dǎo)的氧空位生成過程導(dǎo)致的;RESET過程是由氧離子輸運(yùn)及其與無電子占據(jù)(電子

5、耗盡)的荷電氧空位復(fù)合過程導(dǎo)致的。單雙極阻變的不同點(diǎn)僅在于RESET過程中的提供與荷電氧空位復(fù)合的氧離子的來源和釋放方式不同。該機(jī)制以統(tǒng)一的物理效應(yīng)和觀點(diǎn)闡明單、雙極阻變的微觀起源,很好的解釋了金屬氧化物阻變器件中所觀測到的各種現(xiàn)象,與之前所提的阻變機(jī)制不同,本機(jī)制重點(diǎn)突出了可動氧離子的作用,同時(shí)首次指出了氧離子與氧空位的復(fù)合是由電場作用下的氧空位電子耗盡效應(yīng)決定。
　　2.基于所提出的微觀物理機(jī)制,在考慮氧空位體系的電子輸運(yùn),氧

6、空位的產(chǎn)生與復(fù)合,氧離子的釋放與輸運(yùn)等關(guān)鍵過程的基礎(chǔ)上,建立了可以定量表征跳躍電流大小、氧空位電子占有率、阻變速度與外加電壓的關(guān)系、耐久性的退化,數(shù)據(jù)保持失效等阻變過程中相關(guān)物理效應(yīng)及阻變器件關(guān)鍵性能參數(shù)的模型。以此為基礎(chǔ),進(jìn)一步發(fā)展了關(guān)于阻變過程的原子級隨機(jī)模擬方法,可以模擬得到不同阻態(tài)下氧空位的微觀分布特征及其關(guān)聯(lián)的電學(xué)性質(zhì)。
　　3.在深入認(rèn)識阻變效應(yīng)物理機(jī)制的基礎(chǔ)上,通過設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了所提機(jī)制和模型的正確性與有效性

7、。所設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)主要包括:電流機(jī)制的交流分析、氧離子狀態(tài)及輸運(yùn)的表征、阻變過程瞬態(tài)電流的測量與分析,電壓與阻態(tài)關(guān)系的測量,阻變速度-電壓定律驗(yàn)證,數(shù)據(jù)保持失效現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)測量、電流掃描方法對 I-V特性的研究等。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,不但驗(yàn)證了所提出的機(jī)制和模型,而且加深了對阻變現(xiàn)象物理本質(zhì)的理解和掌握。
　　4.提出了阻變器件特性優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法,從器件材料和操作模式的優(yōu)化選擇兩個(gè)角度,對阻變器件特性的設(shè)計(jì)與性能改善方案做出指導(dǎo)性的建議

8、。通過設(shè)計(jì)適量摻雜的阻變氧化層,電極材料以及界面層,同時(shí)引入電流掃描和優(yōu)化的脈沖操作模式,成功制備并測量實(shí)現(xiàn)了具有高性能的阻變器件,在多阻態(tài)控制、阻變特性均一性、多阻態(tài)開關(guān)耐久性與數(shù)值存儲保持時(shí)間,以及抗讀干擾能力等性能指標(biāo)方面,均達(dá)到當(dāng)時(shí)國際最優(yōu)水平。
　　5.設(shè)計(jì)并制備了適用于高密度集成的自整流阻變存儲單元。在國際上首次提出了可以實(shí)現(xiàn)極高密度集成的三維選擇交叉陣列阻變存儲器結(jié)構(gòu),包括新型垂直環(huán)繞阻變存儲器陣列結(jié)構(gòu),以及垂直選通

9、晶體管陣列。通過新型三維選擇操作模式,在三維陣列中實(shí)現(xiàn)對任意單元的隨機(jī)訪問。合作制備了垂直環(huán)繞阻變存儲器陣列,實(shí)現(xiàn)了5 nm的電極尺寸,小于50μA的電流,小于3 V的脈沖轉(zhuǎn)變電壓,100倍以上的阻值窗口,大于108的耐久性,正負(fù)1.5 V的抗讀干擾能力,120 oC時(shí)大于105 s的數(shù)據(jù)保持力,以及自整流特性。模擬顯示,所提出的新三維陣列相對傳統(tǒng)二維陣列具有更高的集成度和更低的生產(chǎn)成本,在大規(guī)模非揮發(fā)存儲器技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛而重要的實(shí)用

10、價(jià)值。
　　6.提出并設(shè)計(jì)了基于阻變器件的新型邏輯與神經(jīng)功能器件,通過實(shí)驗(yàn)和模擬證明了基于阻變器件的多值非揮發(fā)邏輯器件和神經(jīng)突觸器件的可行性。實(shí)驗(yàn)演示了利用多值非揮發(fā)邏輯器件實(shí)現(xiàn)的四進(jìn)制加法功能。實(shí)驗(yàn)證明了基于優(yōu)化設(shè)計(jì)的阻變神經(jīng)突觸器件可以實(shí)現(xiàn)小于1 pJ的功耗,以此可用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中。模擬演示了利用神經(jīng)突觸陣列實(shí)現(xiàn)的視覺識別功能。
　　論文所取得的研究結(jié)果對闡明阻變現(xiàn)象的物理本質(zhì)、定量表征阻變器件性能特征、優(yōu)化器件特性、推動