二氧化鈦薄膜的阻變性能優(yōu)化研究.pdf

1、在過去的幾十年中，因?yàn)楦咚?高存儲(chǔ)密度的非易失性存儲(chǔ)器(NVMs)的出現(xiàn)，信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展從而使得我們的計(jì)算機(jī)能具有強(qiáng)大的處理能力。但是，傳統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器(例如閃存)的器件尺寸將會(huì)在不遠(yuǎn)的將來達(dá)到技術(shù)的物理極限。為了解決這個(gè)問題，研究者們提出了一些新型的非易失性存儲(chǔ)器的概念。基于新型材料的下一代非易失性存儲(chǔ)器的候選，有相變存儲(chǔ)器、鐵電存儲(chǔ)器、磁存儲(chǔ)器以及阻變存儲(chǔ)器(RRAM)。在這些存儲(chǔ)器中，基于某一些材料的電阻轉(zhuǎn)換效應(yīng)的阻變存儲(chǔ)

2、器得到了十分廣泛關(guān)注，這是由于它的結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、開關(guān)比高、擦寫速度快、保持時(shí)間長以及與半導(dǎo)體工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)。許多多晶態(tài)和非晶態(tài)的過渡金屬氧化物(TMOs)均被應(yīng)用于阻變存儲(chǔ)器中，其中包括了TiO2、ZrO2、ZnO和HfO2等。而基于氧化鈦的阻變存儲(chǔ)器，其電阻轉(zhuǎn)換機(jī)制是較為清晰：TinO2n-1(即所謂的Magnéli相)導(dǎo)電細(xì)絲的形成和斷裂。因此，我們選擇了氧化鈦薄膜的阻變存儲(chǔ)器作為研究的重點(diǎn)，具體工作內(nèi)容如下：
　　(1)

3、從理論上，建立了氧化鈦?zhàn)枳兤骷膶?dǎo)電模型，并利用第一性原理計(jì)算了器件摻雜前后的氧空位生成能和導(dǎo)電細(xì)絲能帶圖，對器件的電學(xué)性能進(jìn)行了理論分析。
　　(2)利用溶膠-凝膠法在Pt/Ti/SiO2/Si的襯底上制備了氧化鈦的薄膜，并利用相應(yīng)的手段對其進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)的表征。隨后，我們運(yùn)用Keithley4200-SCS半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測試了Pt/TiO2/Pt器件的電學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)Pt/TiO2/Pt器件存在單、雙極阻變特性共存的現(xiàn)象并且還

4、需要一個(gè)電初始化過程。電阻轉(zhuǎn)換的閾值電壓和高阻態(tài)阻值的分布較為分散，需要進(jìn)一步的提升器件的穩(wěn)定性。
　　(3)利用溶膠-凝膠法合成了P型離子(La)與N型離子(Fe)摻雜的氧化鈦薄膜，并且對比了它們的阻變性能。與未摻雜氧化鈦器件相比，La、Fe離子摻雜的阻變器件的阻變性都能得到明顯改善，包括將低了Set的電壓、提高了轉(zhuǎn)換電壓和高阻態(tài)時(shí)的穩(wěn)定性。尤其是La摻雜器件，阻變性能的改進(jìn)更為突出。這是由于La離子摻雜能夠使氧化鈦薄膜內(nèi)氧空位

5、生成增多。此外，關(guān)于摻雜引起的氧化鈦薄膜內(nèi)氧空位生成能的降低，我們通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論計(jì)算的結(jié)果及導(dǎo)電細(xì)絲能帶圖的結(jié)果。
　　(4)此外，我們還探究了將La離子摻雜的氧化鈦?zhàn)枳兇鎯?chǔ)器的Pt頂電極換為Ag作為頂電極所造成的影響，在其中金屬Ag扮演者導(dǎo)電細(xì)絲這一重要角色。與Pt作為頂電極的結(jié)構(gòu)相比，Ag/TiO2:La/Pt系統(tǒng)中阻變參數(shù)的均勻性得到了顯著改善，例如轉(zhuǎn)換電壓及高、低阻態(tài)阻值。當(dāng)重復(fù)循環(huán)掃描100次后，，由于器件的損耗較大