【摘 要】
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随着手机、笔记本电脑等便携式电器的普及,以及近几年来互联网技术和新型智能化电子产品的快速发展,非挥发性存储器在整个半导体行业中有着不可替代的关键作用。目前市场上的非挥发性存储器以闪存（Flash）为主,占半导体存储器市场的很大份额。随着半导体技术不断向前推进,闪存遇到严重的技术瓶颈,科学界和工业界对下一代非挥发性存储器技术正在投入大量的研究。许多结果表明,阻变存储器（RRAM）是下一代存储器的有力
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随着手机、笔记本电脑等便携式电器的普及,以及近几年来互联网技术和新型智能化电子产品的快速发展,非挥发性存储器在整个半导体行业中有着不可替代的关键作用。目前市场上的非挥发性存储器以闪存（Flash）为主,占半导体存储器市场的很大份额。随着半导体技术不断向前推进,闪存遇到严重的技术瓶颈,科学界和工业界对下一代非挥发性存储器技术正在投入大量的研究。许多结果表明,阻变存储器（RRAM）是下一代存储器的有力竞争者之一,是一种同时具备高速、高密度和低功耗等特性的非易失性存储器。设计阻变存储器的结构,寻找适合的存储介质材料,弄清电阻转变的物理机制,这是研究者所关注的三个方面。本文采用射频磁控溅射技术沉积了ZnO、CuO、Ni O等氧化物薄膜,制备了阳离子迁移型和阴离子迁移型两类双极型阻变存储器;采用热蒸发的方法制备了ZnO纳米棒和微米线,在此基础上制备了单极型阻变存储器。测试了器件的阻变特性,研究了其电阻转变的物理机制。研究结果表明,在单层非晶ZnO薄膜存储介质的双极型阻变存储器中（Ag/a-ZnO/Pt）,银金属电极可以通过电化学氧化还原反应变成相应的银离子,并在电场作用下迁移进入非晶氧化锌薄膜,最终形成银金属导电细丝,使器件转变到低阻态。在这种基于金属导电细丝的阻变存储器的电阻转变中,Set过程陡峭而Reset过程逐渐变化,高低电阻的开关比可达107,数据保持时间超过106s。在增大限制电流的条件下还发现了其二次阻变现象。制备并研究了Pt/a-ZnO/Pt和ITO/a-ZnO/ITO两种不同电极、相同存储介质层材料的基于阴离子迁移型的双极型阻变存储器。在器件构造上也做了一点新的尝试,如把上下电极做成了十字交叉结构,且使用了柔性衬底。基于单层存储介质器件的阻变参数离散性较大,我们尝试了在单层非晶ZnO薄膜上再溅射一层CuO异质薄膜,制备了Ag/CuO/ZnO/Pt和Pt/CuO/ZnO/Pt结构的两种不同上电极阻变存储器件,两者阻变机制分别与Ag/a-ZnO/Pt和Pt/a-ZnO/Pt器件一致,也分别对应阳离子迁移型和阴离子迁移型两类双极型阻变存储器。但双层异质薄膜器件稳定性显著提高,经过循环测试,重复性好,高低阻态的阻值波动小。实验还发现,用Ni O薄膜替代CuO薄膜也可制备出性能相当的阻变存储器。另外,制备的Ni/ZnO/Cs Pb Br3/FTO双极型器件稳定可靠,开关比超过超过105,操作电压小于1V,功耗小。能同时实现电致阻变和光致阻变,作为逻辑电路的或门,超越传统技术。对于纳米材料的阻变性能也做了一些研究,制备了Cu/ZnO nanorods/Cu和Ag/ZnO single-microwire/Ag纳微结构的单极型阻变器件,以及利用ZnO纳米线阵列薄膜制备的Ag/ZnO NWs/ZnO TF/Pt双极型阻变器件。在Cu/ZnO nanorods/Cu结构的器件中,高低态电阻阻值之比超过100,该阻变存储器具有优异的循环擦写能力,常温下数据保持时间超过106s,开关阈值电压Vset和Vreset均低于5V。表明ZnO纳米棒器件有一定应用潜力。测出Ag/ZnO single-microwire/Ag器件的开关阈值电压Vset和Vreset均低于1V,表明器件的操作电压较小;经过100多次重复擦写后仍然具有超过1000的存储窗口;器件在常温下数据能长时间保存,且能够在110?s的短脉冲激励下完成擦写操作;通过TEM测试结果推测其阻变机制与其结构缺陷有关,高低阻态时电流传导机制分别遵从欧姆定律和空间电荷限制电流（SCLC）的理论。在阻变测试过程中还出现了中间态,表明器件有可能用于多值存储。对于Ag/ZnO NWs/ZnO TF/Pt双极型阻变器件,开关比达104,由氧空位和银原子共同组成的导电细丝模型可解释其阻变特性。此外,我们还制备了Ag/Ag:ZnO/Pt和Ag/BN/Pt忆阻器,模拟出部分神经突触的特征,显示出生物突触的关键功能,包括非线性传输、短时可塑性、双脉冲促进,以及长时程增强和长时程抑制等。有希望用于制备人工智能的电子器件。
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