二氧化鉿中氧空位性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、阻變存儲(chǔ)器(RRAM),由于具有功耗低,讀寫速度快,可擦寫次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn),成為下一代不揮發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)的重要候選者。二氧化鉿(HfO2)是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中一種重要的二元過渡金屬氧化物材料,也是RRAM器件的重要阻變材料。
　　本文主要利用材料工作室中的Castep模塊,利用第一性原理計(jì)算研究了HfO2中氧空位性質(zhì),預(yù)測(cè)了其對(duì) RRAM性能的影響。單晶HfO2有單斜(m-),立方(c-),四方(t-)三種晶相,我們計(jì)算了完整與含有中性氧空位這

2、兩種條件下各晶相 HfO2的能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度,發(fā)現(xiàn)三種晶相的HfO2中,氧空位的引入會(huì)在禁帶中產(chǎn)生陷阱能級(jí),電子能夠在這些陷阱能級(jí)之間躍遷。當(dāng)大量氧空位聚集時(shí),這些陷阱能級(jí)便提供了一條電子的通道,使得 HfO2成為低阻態(tài)。計(jì)算了氧空位的形成能,發(fā)現(xiàn)c-,t-HfO2兩種晶相中,氧空位的形成能分別為7.56eV和6.37eV,要遠(yuǎn)低于m-HfO2(三配位空位12.34eV,四配位空位為12.24eV),這意味著基于這兩種晶相的器件的ele

3、ctroforming過程更容易完成。計(jì)算了三種晶相HfO2中氧空位的躍遷勢(shì)壘,發(fā)現(xiàn)c-,t-HfO2兩種晶相中,氧空位的躍遷勢(shì)壘分別為1.20eV,0.93eV和1.35eV(t-HfO2中有兩種躍遷路徑),要明顯低于m-HfO2(2.53eV,2.76eV和3.98eV,對(duì)應(yīng)于三種躍遷路徑),這意味著氧空位在c-,t-HfO2中遷移更為容易,相應(yīng)的電阻轉(zhuǎn)變過程也會(huì)更快,但是數(shù)據(jù)保持能力則要弱于m-HfO2。
　　我們還研究了Y