【摘 要】
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随着信息技术的高速发展,市场对存储器的性能提出了更高的发展要求。当前Flash存储器被工业界广泛使用,但由于其存储密度受限无法满足未来的需求。因此,急需研发一种新型的非易失性存储器来替代Flash存储器。近年来,阻变存储器（RRAM）逐渐成为人们关注的焦点。尤其是当阻变材料为二元金属氧化物时,因其具有结构简单、成分可控以及与CMOS工艺兼容等优点引起研究人员的兴趣。然而阻变机制不明确、阻变参数离散
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（No.51875387）；
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随着信息技术的高速发展,市场对存储器的性能提出了更高的发展要求。当前Flash存储器被工业界广泛使用,但由于其存储密度受限无法满足未来的需求。因此,急需研发一种新型的非易失性存储器来替代Flash存储器。近年来,阻变存储器（RRAM）逐渐成为人们关注的焦点。尤其是当阻变材料为二元金属氧化物时,因其具有结构简单、成分可控以及与CMOS工艺兼容等优点引起研究人员的兴趣。然而阻变机制不明确、阻变参数离散型以及稳定性差等劣势制约了其进一步发展。CeO2作为一种稀土氧化物,具有两种不同的价态（+3、+4）,氧空位通过价态的变化从而快速形成或消除,有利于阻变器件的高低阻态转变,得到了研究人员的重点关注。本文采用溶胶-凝胶法制备CeO2薄膜,通过改变工艺参数（退火温度、施加偏压的大小及薄膜厚度）对Al/CeO2/FTO器件的阻变性能进行探究。研究表明,适当的退火温度有利于提高Al/CeO2/FTO器件的阻变性能,但在较高或较低的退火温度下,会对CeO2薄膜内部的缺陷含量产生影响,进而改变器件的阻变行为,使器件的存储窗口和可靠性产生差异;对器件施加较大的偏压时,可以实现器件存储窗口的增加,但薄膜内部氧空位导电细丝的断裂程度会增大,导致导电细丝无法复原;器件高低阻态的阻值与薄膜厚度呈反比,薄膜厚度与薄膜内部的氧空位含量存在临界值,小于临界值时,无法形成导电细丝;大于临界值时,导电细丝可以形成并随膜厚的增加而产生多根同时导通的情况。通过对CeO2薄膜进行Ti离子的掺杂,制备了不同CeO2-x-TiO2厚度下的Al/CeO2-x-TiO2/FTO阻变器件。I-V测试表明Al/CeO2-x-TiO2/FTO器件具有无初始化过程的双极性阻变特性。对不同CeO2-x-TiO2厚度下的阻变器件进行了电学分析,研究表明Al/CeO2-x-TiO2/FTO器件在不同CeO2-x-TiO2膜厚下其低阻态呈欧姆导电机制,高阻态符合缺陷控制的空间电荷限制电流传导机制。随着CeO2-x-TiO2厚度的增加,会发生阻变机制的本质变化,器件的阻变机制从氧空位导电细丝机制转变为缺陷对电荷的捕获/释放机制。研究发现Al/CeO2-x-TiO2界面处的Al Ox层是阻变机制转变的关键,Al Ox层的增厚使器件从“数字型”转变为“模拟型”。以TiO2薄膜作为插入层,采用溶胶-凝胶法制备了Al/TiO2/CeO2/FTO双层阻变器件,通过改变CeO2薄膜厚度,对器件的阻变行为进行研究。结果表明,器件高低阻态的阻值与CeO2薄膜厚度呈正相关。当阻变层为TiO2（3层）/CeO2（15层）时,具有高存储窗口（≈10~2）和低操作电压。同时该器件还表现出负微分电阻效应,分析表明器件的导电性是由肖特基势垒机制控制。采用能带理论对器件的阻变行为进行解释,并将负微分电阻现象归因于TiO2/CeO2异质结处电压降的变化,使界面处的深能级陷阱参与电子的填充及释放过程。
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