NiO憶阻器阻變機(jī)理及器件研究.pdf

1、隨著半導(dǎo)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(chǔ)技術(shù)——Flash存儲(chǔ)器的技術(shù)瓶頸。為了滿足當(dāng)今信息技術(shù)對(duì)于超高密度存儲(chǔ)技術(shù)的需要，多種新型存儲(chǔ)器被提出，其中憶阻器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作電壓低、耐久性好和多級(jí)存儲(chǔ)等特性，被認(rèn)為是替代Flash存儲(chǔ)最具潛力的存儲(chǔ)技術(shù)之一。目前在多元氧化物、固態(tài)電解質(zhì)、有機(jī)材料和二元氧化物等眾多材料中均觀察到了阻變效應(yīng)，其中NiO因其成分簡(jiǎn)單及CMOS兼容性良好而被認(rèn)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(wèn)題：如阻變機(jī)理尚不明確、器件參數(shù)的一致性較差、存儲(chǔ)窗口較低等。針對(duì)以上問(wèn)題，開(kāi)展了NiO憶阻器的阻變機(jī)理研究，分析了氧化物組成、結(jié)晶、導(dǎo)電絲等特性對(duì)阻變性能的影響；研究了制備條件、插層等對(duì)阻變性能的影響，并找到了大幅度提高存儲(chǔ)窗口的可行途徑，為多級(jí)存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；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(yīng)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(huì)對(duì)氧化物的微觀結(jié)構(gòu)等造成極大影響，進(jìn)而顯著影響器件的性能，因此對(duì)制備條件的研究一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。本論文針對(duì)制備條件對(duì)憶阻器性能的影響開(kāi)展了詳細(xì)的研究。在反應(yīng)濺射過(guò)程中，通過(guò)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(duì)存儲(chǔ)窗口、電阻分散性等的影響，當(dāng)濺射氣體氧分壓為10％時(shí)器件的阻變性能最好；其次，在利用快速退火工藝對(duì)阻變單元進(jìn)行后退火處理的過(guò)程中，通過(guò)改變退火氣氛，在

4、空氣中退火的樣品經(jīng)過(guò)適當(dāng)二次氧化，可顯著提高存儲(chǔ)單元的阻變性能；通過(guò)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(chǔ)窗口、穩(wěn)定性等參數(shù)；而通過(guò)對(duì)退火時(shí)間的調(diào)節(jié)，可有效調(diào)控薄膜的應(yīng)力狀態(tài)，從而在根本上改變器件的阻變機(jī)理，實(shí)現(xiàn)多種模式的阻變效應(yīng)。該研究為后期提高器件性能打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　?。?）目前，憶阻器的轉(zhuǎn)變機(jī)理主要分為以界面為基礎(chǔ)的整體效應(yīng)和基于導(dǎo)電絲機(jī)理的局域效應(yīng)。在局域效應(yīng)型憶阻器中，導(dǎo)電絲的形成和斷裂直

5、接影響著器件的宏觀電學(xué)性能，因此對(duì)導(dǎo)電絲狀態(tài)的研究一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)。首先，通過(guò)對(duì)比以Au和Co作為頂電極的憶阻器的電學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)不同頂電極的憶阻器中導(dǎo)電絲的形成/斷裂機(jī)理不同。其中Au/NiO/Pt器件是典型的熱熔斷機(jī)理，器件在正向和負(fù)向形成單極轉(zhuǎn)變；而Co/NiO/Pt器件是典型的電化學(xué)機(jī)理（ECM），通過(guò)Co離子的移動(dòng)，使導(dǎo)電絲形成和斷裂，實(shí)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(guò)分析不同器件的I-V曲線特性，深入研究了Ta插層對(duì)導(dǎo)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(shè)計(jì)提供了有利的指導(dǎo)。最后，由于憶阻器是通過(guò)電激勵(lì)作用實(shí)現(xiàn)電阻的變化，在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱，因此研究器件的熱效應(yīng)對(duì)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(duì)導(dǎo)電絲熱效應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算，兩種方法計(jì)算結(jié)果的一致性較好，證

7、明了導(dǎo)電絲成分、導(dǎo)電絲直徑、限流作用等均會(huì)對(duì)器件的熱效應(yīng)產(chǎn)生影響，為設(shè)計(jì)具有優(yōu)異性能的憶阻器提供了有效的指導(dǎo)。
　?。?）隨著對(duì)憶阻器的研究向應(yīng)用領(lǐng)域邁進(jìn)，通過(guò)調(diào)控器件性能，使其在滿足基本存儲(chǔ)性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)器件性能多元化，拓寬其應(yīng)用范圍已成為當(dāng)今憶阻器的發(fā)展趨勢(shì)?；诖?，首先通過(guò)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(chǔ)窗口，進(jìn)而在此優(yōu)異性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了器件的多級(jí)存儲(chǔ)，增加了器件的存儲(chǔ)密度；其次，通過(guò)研究不同頂電極的