基于非晶態(tài)摻鍶錳酸鑭薄膜的憶阻器研究.pdf

1、目前，基于CMOS工藝的傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)逐漸接近其物理極限，處理器和存儲(chǔ)器之間速度差造成的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)墻問(wèn)題也變得越來(lái)越嚴(yán)重，這些都嚴(yán)重阻礙著計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。憶阻器是除電阻、電容、電感之外的第四種電路元件，可同時(shí)用于信息存儲(chǔ)和邏輯運(yùn)算，是新型非易失存儲(chǔ)技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者，也是緩解甚至解決計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)墻問(wèn)題的非常有前景的一種技術(shù)。
　　摻鍶錳酸鑭(La1-xSrxMnO3，LSMO)薄膜是一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的功能材料。據(jù)報(bào)道，晶態(tài)的LSMO薄

2、膜在外界電激勵(lì)下可表現(xiàn)出一定的電致電阻變化效應(yīng)，但是存在電阻變化量小、操作電壓高、薄膜沉積溫度高等諸多問(wèn)題。本文通過(guò)射頻磁控濺射法在較低溫度下沉積出了非晶態(tài) LSMO(a-LSMO)薄膜，并制備出Ag/a-LSMO/Pt結(jié)構(gòu)的憶阻器，器件具有優(yōu)異的電阻開(kāi)關(guān)特性和模擬型阻變特性，極大地提高了LSMO薄膜的阻變性能，同時(shí)工藝更簡(jiǎn)便。對(duì)Ag/a-LSMO/Pt憶阻器的機(jī)理分析表明，阻變特性主要源于在類(lèi)似固體電解質(zhì)的a-LSMO薄膜中電化學(xué)氧化

3、還原反應(yīng)生成的Ag納米細(xì)絲。
　　對(duì)a-LSMO薄膜的射頻濺射沉積工藝進(jìn)行了研究。通過(guò)控制基片溫度在50℃左右，沉積出了電阻率為107~108Ω·cm的非晶態(tài)的高阻a-LSMO薄膜。濺射氣壓和氧分壓對(duì)a-LSMO薄膜的聚集密度有著較大影響。增加濺射氣壓，有利于聚集密度的降低。無(wú)氧分壓比有氧分壓時(shí)聚集密度低。隨摻Sr量的增加，a-LSMO薄膜的折射率呈增加趨勢(shì)。通過(guò)控制濺射功率和濺射時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)對(duì)a-LSMO薄膜厚度的控制。然后在P

4、t/Ti/SiO2/Si基片上制備出Ag/a-LSMO/Pt憶阻器，并采用盧瑟福背散射、原子力顯微鏡和透射電鏡等對(duì)其進(jìn)行表征，確定中間層LSMO薄膜為非晶態(tài)，成分為L(zhǎng)a0.79Sr0.21MnO3。
　　采用準(zhǔn)靜態(tài)電壓掃描和高頻脈沖電壓激勵(lì)方式，研究Ag/a-LSMO/Pt憶阻器的阻變特性。準(zhǔn)靜態(tài)電壓掃描下，器件可表現(xiàn)出非易失的雙極型電阻開(kāi)關(guān)特性，高低電阻比超過(guò)104，電流-電壓(I-V)循環(huán)穩(wěn)定性超過(guò)102次，數(shù)據(jù)保持時(shí)間超過(guò)1

5、04 s，電形成電壓約為0.9 V，具有較小的閾值電壓，SET和RESET電壓的平均值分別為0.26 V和?0.19 V，SET和RESET的速度分別為50 ns和200 ns。通過(guò)控制限制電流的大小可實(shí)現(xiàn)對(duì)低阻態(tài)阻值的控制。器件在一定條件下還可表現(xiàn)出單極型、無(wú)極型和易失型電阻開(kāi)關(guān)特性。高頻三角波脈沖電壓激勵(lì)下，器件可表現(xiàn)出優(yōu)異的I-V滯回特性。滯回曲線(xiàn)經(jīng)過(guò)零點(diǎn)且呈“8”字形，在500Hz~2.5 MHz范圍內(nèi)，滯回曲線(xiàn)所包圍的面積隨著

6、激勵(lì)電壓頻率的增加而減小，當(dāng)頻率為2.5 MHz時(shí)滯回曲線(xiàn)幾乎縮減成直線(xiàn)，證明Ag/a-LSMO/Pt器件確實(shí)是一個(gè)憶阻器。器件在連續(xù)的正(負(fù))電壓脈沖作用下，阻值可發(fā)生類(lèi)似突觸功能的連續(xù)降低(增加)。器件在超過(guò)103次的方波脈沖循環(huán)測(cè)試中，高低阻值比始終保持大于10；在250 kHz的電壓激勵(lì)下，器件可經(jīng)受102次的脈沖I-V循環(huán)；說(shuō)明器件具有高穩(wěn)定性和可靠性。
　　依據(jù)阻抗譜、導(dǎo)電原子力顯微圖、變溫電學(xué)特性和SET過(guò)程中的電導(dǎo)

7、量子化等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合I-V曲線(xiàn)對(duì)Ag/a-LSMO/Pt憶阻器的阻變機(jī)理進(jìn)行了分析。憶阻器的電阻開(kāi)關(guān)機(jī)理主要基于Ag+的遷移，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)控制Ag納米細(xì)絲的形成和斷裂從而使電阻發(fā)生高低變化；RESET過(guò)程為焦耳熱輔助的電化學(xué)溶解過(guò)程。低阻態(tài)阻值小于12.9 kΩ時(shí)，Ag納米細(xì)絲處于橋接狀態(tài)；低阻態(tài)阻值大于12.9 kΩ時(shí)，Ag納米細(xì)絲處于隧穿狀態(tài)。隨限制電流的增加，Ag納米細(xì)絲尺寸增加，從而低阻態(tài)阻值降低，RESET電流則增加。A

8、g在Pt電極上的電結(jié)晶過(guò)程為SET過(guò)程的速率控制步驟。溫度升高時(shí)，Ag+的遷移速率和Ag的形核速率升高，SET電壓變小。雙極型電阻開(kāi)關(guān)曲線(xiàn)中的RESET過(guò)程可歸納為電化學(xué)型、不穩(wěn)定型和焦耳熱型三種。高頻電壓激勵(lì)下的模擬型阻變特性是由電化學(xué)反應(yīng)控制的Ag納米細(xì)絲的粗細(xì)變化引起的，a-LSMO薄膜中存在的納米孔隙為Ag納米細(xì)絲的尺寸變化提供所需空間。通過(guò)橢圓偏振光譜技術(shù)建立了非晶態(tài)復(fù)合氧化物薄膜的微觀(guān)結(jié)構(gòu)與憶阻器的阻變性能之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)