基于氧化铪的柔性存储器性能及导电机制研究

来源 :天津理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Rosa1201
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随着5G和大数据等技术的快速发展,传统存储器面临着如高密度集成、特征尺寸匹配等技术瓶颈,因此新型非易失性存储器的研究将扮演重要的角色。其中阻变存储器因功耗低、操作速度快、集成度高等优势正成为下一代存储器的有力竞争者。另一方面,柔性电子器件因其轻便易携带、可弯折等优点也成为当下的一大研究热点。根据目前的技术发展前景,柔性阻变存储器的研究正引起越来越多的关注。本文主要研究了不同上电极材料对于Hf O_x基柔性阻变存储器性能的影响。通过超高真空磁控溅射和电子束蒸发等工艺在聚酰亚胺柔性衬底上制备了三明治结构的阻变单元;并采用原子力显微镜、X射线光电子能谱分析及四探针测试系统、半导体参数分析仪等测试方法对薄膜特性及器件开关特性进行了分析与表征,在此基础上对器件性能进行了优化并对不同电极对阻变机理的影响进行了分析。首先,探究了ITO薄膜溅射工艺对薄膜电学性能的影响,从溅射功率和气压两个方面对薄膜制备工艺进行了优化。生长得到具备良好导电性(方块电阻约为18.6Ω/□)和透光性(平均透光度约为84.6%)的ITO薄膜,能够满足存储器件对电极薄膜的要求。在优化ITO薄膜制备工艺的基础上,探究了不同溅射工艺制备Hf Ox薄膜对器件性能的影响分别通过改变溅射氧分压、功率和介质层的厚度对器件性能进行了优化。在优化得到中间介质层为10 nm的基础上,使用15%的氧分压和140 W的溅射功率条件下制备的器件具有良好的阻变特性。器件的循环耐久特性可达20万次,并且器件的转换电压和高低阻值的分布一致性也得到了改善。其次,为了研究不同上电极对柔性阻变存储器性能的影响,通过电子束蒸发工艺分别制备了Al和Ni上电极。电学测试结果表明,基于Ni上电极的器件表现出了较低的操作电压,而以Al为上电极的器件具有较低的操作电流和自限流特性。最后,为了优化柔性阻变存储器的柔韧性,本文对器件进行了弯折测试并对弯折后的器件进行了电学性能测试。基于ITO上电极的器件即使弯曲半径低至4 mm或经过弯曲10~3次后器件仍能保持良好阻变性能,证明器件具有高柔韧性。但是基于Al和Ni上电极的器件在弯折后,器件性能出现了明显衰减。为了进一步解释这一现象,本文对三种器件的传输机制进行了分析,发现使用ITO上电极的器件符合空间电荷限制电流机制。而基于Ni和Al上电极的器件符合导电细丝机制,因此易受到弯曲的影响导致性能衰减。本文对柔性阻变存储器性能优化和弯曲造成器件衰减进行了研究,证明可以通过电极工程提升器件的阻变特性,为研制具有更好柔韧性的器件提供了一定的指导。
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