基于非晶态掺锶锰酸镧薄膜的忆阻器研究

来源 :国防科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:simon_186
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目前,基于CMOS工艺的传统存储技术逐渐接近其物理极限,处理器和存储器之间速度差造成的计算机存储墙问题也变得越来越严重,这些都严重阻碍着计算机的进一步发展。忆阻器是除电阻、电容、电感之外的第四种电路元件,可同时用于信息存储和逻辑运算,是新型非易失存储技术的有力竞争者,也是缓解甚至解决计算机存储墙问题的非常有前景的一种技术。掺锶锰酸镧(La1-x Srx Mn O3,LSMO)薄膜是一种钙钛矿结构的功能材料。据报道,晶态的LSMO薄膜在外界电激励下可表现出一定的电致电阻变化效应,但是存在电阻变化量小、操作电压高、薄膜沉积温度高等诸多问题。本文通过射频磁控溅射法在较低温度下沉积出了非晶态LSMO(a-LSMO)薄膜,并制备出Ag/a-LSMO/Pt结构的忆阻器,器件具有优异的电阻开关特性和模拟型阻变特性,极大地提高了LSMO薄膜的阻变性能,同时工艺更简便。对Ag/a-LSMO/Pt忆阻器的机理分析表明,阻变特性主要源于在类似固体电解质的a-LSMO薄膜中电化学氧化还原反应生成的Ag纳米细丝。对a-LSMO薄膜的射频溅射沉积工艺进行了研究。通过控制基片温度在50℃左右,沉积出了电阻率为107~108Ω·cm的非晶态的高阻a-LSMO薄膜。溅射气压和氧分压对a-LSMO薄膜的聚集密度有着较大影响。增加溅射气压,有利于聚集密度的降低。无氧分压比有氧分压时聚集密度低。随掺Sr量的增加,a-LSMO薄膜的折射率呈增加趋势。通过控制溅射功率和溅射时间,可实现对a-LSMO薄膜厚度的控制。然后在Pt/Ti/Si O2/Si基片上制备出Ag/a-LSMO/Pt忆阻器,并采用卢瑟福背散射、原子力显微镜和透射电镜等对其进行表征,确定中间层LSMO薄膜为非晶态,成分为La0.79Sr0.21Mn O3。采用准静态电压扫描和高频脉冲电压激励方式,研究Ag/a-LSMO/Pt忆阻器的阻变特性。准静态电压扫描下,器件可表现出非易失的双极型电阻开关特性,高低电阻比超过104,电流-电压(I-V)循环稳定性超过102次,数据保持时间超过104 s,电形成电压约为0.9 V,具有较小的阈值电压,SET和RESET电压的平均值分别为0.26 V和-0.19 V,SET和RESET的速度分别为50 ns和200 ns。通过控制限制电流的大小可实现对低阻态阻值的控制。器件在一定条件下还可表现出单极型、无极型和易失型电阻开关特性。高频三角波脉冲电压激励下,器件可表现出优异的I-V滞回特性。滞回曲线经过零点且呈“8”字形,在500 Hz~2.5 MHz范围内,滞回曲线所包围的面积随着激励电压频率的增加而减小,当频率为2.5 MHz时滞回曲线几乎缩减成直线,证明Ag/a-LSMO/Pt器件确实是一个忆阻器。器件在连续的正(负)电压脉冲作用下,阻值可发生类似突触功能的连续降低(增加)。器件在超过103次的方波脉冲循环测试中,高低阻值比始终保持大于10;在250 k Hz的电压激励下,器件可经受102次的脉冲I-V循环;说明器件具有高稳定性和可靠性。依据阻抗谱、导电原子力显微图、变温电学特性和SET过程中的电导量子化等实验结果,并结合I-V曲线对Ag/a-LSMO/Pt忆阻器的阻变机理进行了分析。忆阻器的电阻开关机理主要基于Ag+的迁移,通过电化学反应控制Ag纳米细丝的形成和断裂从而使电阻发生高低变化;RESET过程为焦耳热辅助的电化学溶解过程。低阻态阻值小于12.9 kΩ时,Ag纳米细丝处于桥接状态;低阻态阻值大于12.9 kΩ时,Ag纳米细丝处于隧穿状态。随限制电流的增加,Ag纳米细丝尺寸增加,从而低阻态阻值降低,RESET电流则增加。Ag在Pt电极上的电结晶过程为SET过程的速率控制步骤。温度升高时,Ag+的迁移速率和Ag的形核速率升高,SET电压变小。双极型电阻开关曲线中的RESET过程可归纳为电化学型、不稳定型和焦耳热型三种。高频电压激励下的模拟型阻变特性是由电化学反应控制的Ag纳米细丝的粗细变化引起的,a-LSMO薄膜中存在的纳米孔隙为Ag纳米细丝的尺寸变化提供所需空间。通过椭圆偏振光谱技术建立了非晶态复合氧化物薄膜的微观结构与忆阻器的阻变性能之间的联系,发现a-LSMO薄膜的聚集密度增加时,忆阻器的电形成电压及其分散性变大。本论文还研究了三种其它结构的忆阻器,包括透明掺锡氧化铟为底电极的忆阻器、超薄多孔阳极氧化铝掩模法制备的纳米阵列忆阻器以及不锈钢掩模法制备的微米交叉杆忆阻器。基于a-LSMO薄膜的忆阻器的优异电阻开关特性和模拟型阻变特性在非易失存储、人工神经网络以及超越冯·诺依曼结构的计算机等研究领域具有广阔的应用前景。
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