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，因為高速/高存儲密度的非易失性存儲器(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算機能具有強大的處理能力。但是，傳統(tǒng)的非易失性存儲器(例如閃存)的器件尺寸將會在不遠的將來達到技術(shù)的物理極限。為了解決這個問題，研究者們提出了一些新型的非易失性存儲器的概念?；谛滦筒牧系南乱淮且资源鎯ζ鞯暮蜻x，有相變存儲器、鐵電存儲器、磁存儲器以及阻變存儲器(RRAM)。在這些存儲器中，基于某一些材料的電阻轉(zhuǎn)換效應的阻變存儲

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、保持時間長以及與半導體工藝兼容等優(yōu)點。許多多晶態(tài)和非晶態(tài)的過渡金屬氧化物(TMOs)均被應用于阻變存儲器中，其中包括了TiO2、ZrO2、ZnO和HfO2等。而基于氧化鈦的阻變存儲器，其電阻轉(zhuǎn)換機制是較為清晰：TinO2n-1(即所謂的Magnéli相)導電細絲的形成和斷裂。因此，我們選擇了氧化鈦薄膜的阻變存儲器作為研究的重點，具體工作內(nèi)容如下：
　　(1)

3、從理論上，建立了氧化鈦阻變器件的導電模型，并利用第一性原理計算了器件摻雜前后的氧空位生成能和導電細絲能帶圖，對器件的電學性能進行了理論分析。
　　(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，并利用相應的手段對其進行了微觀結(jié)構(gòu)的表征。隨后，我們運用Keithley4200-SCS半導體參數(shù)分析儀測試了Pt/TiO2/Pt器件的電學性能，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)時的穩(wěn)定性。尤其是La摻雜器件，阻變性能的改進更為突出。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，我們通過實驗驗證了理論計算的結(jié)果及導電細絲能帶圖的結(jié)果。
　　(4)此外，我們還探究了將La離子摻雜的氧化鈦阻變存儲器的Pt頂電極換為Ag作為頂電極所造成的影響，在其中金屬Ag扮演者導電細絲這一重要角色。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。當重復循環(huán)掃描100次后，，由于器件的損耗較大