碲基硫系化合物材料的忆阻特性研究

摘要

自2008年被实验实现以来，忆阻器就受到了全球研究人员的广泛关注。忆阻器能记忆流经其的电荷，因而在非易失性存储、逻辑运算、神经网络和可编程电路等领域都具有广阔的应用前景。然而目前忆阻器的研究仍处于起步阶段，在材料、器件结构、忆阻机理以及器件电阻的调控上还有许多问题亟需进一步研究。
　　本论文中研究了Ge2Sb2Te5、Ag5In5Sb60Te30、Sb2Te3三种不同的碲基硫系化合物材料，制备了忆阻器件，研究了几种不同材料在忆阻特性上的特点，提出了其忆阻机制，探讨碲基硫系化合物忆阻器的器件改进、特性调制方法和可能的应用。本文主要工作与结论如下：
　　首先我们研究了Sb原子含量不超过化学计量比的Ge2Sb2Te5薄膜在非晶态下的忆阻特性，制备了两种Ge2Sb2Te5忆阻器：一种是基于非活性电极的TiW/Ge2Sb2Te5/TiW结构忆阻器件，高低阻变化范围在1个数量级以内，但器件电阻可多级连续调制，并构建了基于空间电荷限制导电效应的忆阻模型；另一种是采用活性Ag电极的Ta/Ge2Sb2Te5/Ag和Ag/Ge2Sb2Te5/Ag结构忆阻器件，在Ge2Sb2Te5薄膜内部发生Ag导电丝的形成和断裂，导致器件的电阻变化，器件可实现稳定的阻变开关，ROFF/RON可基本保持在50倍以上，且构建了基于电化学金属化反应的忆阻模型。
　　其次，实验发现Ag5In5Sb60Te30薄膜在非晶态下能够展现出良好的忆阻特性，构建了基于本征的空间电荷限制导电效应和非本征的电化学金属化反应两种忆阻机制的Ag5In5Sb60Te30忆阻模型。在由空间电荷限制导电效应和电化学金属化反应共同作用的Ag/Ag5In5Sb60Te30/Ag结构忆阻器中，可以实现稳定的电阻渐变调控，精确地对器件电阻进行调制。此外在Ag/Ag5In5Sb60Te30/Ag结构忆阻器中，可同时实现双极性和单极性的电阻渐变调制，但双极性的电阻调控所需的脉冲能量比单极性调控更小，功耗更低。
　　最后，我们研究了晶态Sb2Te3薄膜的忆阻特性，提出其阻变行为与薄膜内的带电缺陷有关。在高阻态下，由于普尔－法兰克发射效应，器件电阻随外加电压升高而降低；而当外加电压足够大时，Sb2Te3薄膜内的带电缺陷可发生移动，导致器件电阻的进一步突变。当在器件一侧使用活性的Ag电极时，Ag原子退火后会扩散进入Sb2Te3材料，与Te原子结合，在电极/功能层界面附近造成更多的带电缺陷；通过施加合适的脉冲序列，可在Ag/Sb2Te3/Ta忆阻器中同时实现开关切换和电阻渐变调制两种特性。
　　实验发现Ge2Sb2Te5、Ag5In5Sb60Te30、Sb2Te3三种碲基硫系化合物均可作为忆阻器件的忆阻材料，其忆阻特性和忆阻机制各不相同。其中使用Ag电极的Ge2Sb2Te5忆阻器具有最好的开关特性，最适合用于数字应用领域的非易失性存储器和逻辑运算；Ag5In5Sb60Te30忆阻器则具有最佳的电阻渐变调控特性，有望用于多值存储和一些模拟应用领域，如模拟神经元突触功能等；Sb2Te3忆阻器同时具备较为稳定的开关特性和电阻渐变调制特性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 非易失性存储器现状

1.3 忆阻器简介

1.4 忆阻器的研究进展

1.5 常见的忆阻机制

1.6 本文选题意义及研究内容

2 硫系化合物忆阻器制备工艺与测试方法

2.1 硫系化合物忆阻器制备工艺

2.2 忆阻器测试方法及系统

3 Ge2Sb2Te5忆阻器在非晶态下的忆阻特性研究

3.1 引言

3.2 Ge2Sb2Te5忆阻器原型器件的制备与薄膜表征

3.3 基于非活性电极的Ge2Sb2Te5忆阻器原型器件

3.4 采用活性Ag电极的Ge2Sb2Te5忆阻器原型器件

3.5 本章小结

4 Ag5In5Sb60Te30忆阻器的电阻调控研究

4.1 引言

4.2 Ag5In5Sb60Te30忆阻器原型器件的制备与薄膜表征

4.3 AgInSbTe忆阻器的直流I-V特性研究

4.4 AgInSbTe忆阻器的阻变机制

4.5 AgInSbTe忆阻器的电阻调控特性

4.6 同一器件中单极性和双极性阻变模式的共存

4.7 本章小结

5 Sb2Te3忆阻器原型器件特性研究

5.1 引言

5.2 Sb2Te3忆阻器原型器件的制备和薄膜表征

5.3 Sb2Te3忆阻器原型器件的直流I-V特性

5.4 Sb2Te3忆阻器在脉冲激励下的电学特性

5.5 Sb2Te3忆阻器原型器件的阻变机制

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 下一步研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的论文目录

附录2 攻读博士学位期间申请的发明专利