离子掺杂对氧化钛基阻变存储器的性能影响及导电机制研究

摘要

对阻变存储器的研究已经经过了几十年，但对阻变机理的研究尚不清晰，因此，对器件阻变机理的研究仍然是当今研究的重点。目前一般将阻变存储器的存储机制分为离子型阻变和电子型阻变两类，其中，离子型阻变具有循环次数长、保持能力高等优点，但常伴随着高功耗和可靠性差的问题；而电子型阻变器件具有良好的一致性，功耗可随面积成比例降低，便于集成等优点，但循环能力和保持能力较差。本论文以Al/TiOx/Al结构电子型阻变器件为基础，对阻变层中掺杂Al、Si和V离子，研究掺杂对ATA结构器件的性能影响，旨在通过掺杂的方式使器件在具备电子型阻变器件优点的同时，提高器件的循环能力和保持能力。
　　本论文实验样品的上下电极使用电子束蒸发设备制备，离子掺杂的氧化钛阻变层使用多功能溅射设备制备，最终使用半导体参数分析仪测试制备样品的电学性能，进而对样品的阻变性能和传输机理进行分析和研究。
　　在本论文中设计如下实验，设计了改变阻变层厚度；掺杂不同离子（Al、Si和 V离子），改变掺杂物浓度的对比实验，证明了掺杂Al、Si离子可以有效地提升ATA结构阻变器件的循环能力和保持能力，而且掺杂浓度是调节阻变性能的关键因素，并优化出未掺杂器件和掺杂不同离子器件的最优阻变性能条件。通过本论文的研究，有利于制备具有更高阻变性能的电子型阻变器件，对掺杂条件下电子型阻变存储器的阻变性能和传输机制的研究提供经验，并为优化出低功耗、高一致性、高循环次数和保持能力的新型阻变存储器提供指导。
　　本论文还对未掺杂的Al/TiOx/Al结构器件的阻变机理进行研究，证明了该器件具有非对称势垒结构，是符合SCLC传输机制的电子型阻变器件，而器件的循环能力较差的主要原因是陷阱深度的逐渐衰减和缺陷密度的降低。而通过对未掺杂器件和掺杂器件进行温度测试，计算各器件不同循环次数下的活化能值，证明了掺杂 Al、Si离子有效地加深了器件初始的陷阱深度，并提高了器件的阻变性能。本论文创新性地使用了掺杂的方法改善了电子型阻变器件的性能，并对掺杂导致器件性能改善的阻变机理进行了研究，对研究电子型阻变机制，制备更高性能的阻变器件具有一定的指导意义。
　　最后，将掺杂Al的ATA结构电子型阻变器件与离子型阻变器件进行对比，分析了两种阻变器件的性能优劣，并为电子型阻变器件的进一步优化指明了方向。

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第一章 绪论

1.1阻变存储器(RRAM)的概念

1.2阻变存储器存储机制

1.3电子型阻变器件的发展

1.4掺杂对阻变存储器的影响

1.5研究内容及研究意义

第二章 薄膜制备技术以及表征技术

2.1薄膜沉积设备介绍及其原理

2.2薄膜特性表征设备

第三章 Al、Si、V离子掺杂对ATA结构电子型阻变器件的性能影响

3.1未掺杂的ATA结构电子型阻变器件的性能特性

3.2掺杂Al离子的ATA结构电子型阻变器件的性能特性

3.3掺杂Si离子的ATA结构电子型阻变器件的性能特性

3.4掺杂V离子的ATA结构电子型阻变器件的性能特性

3.5离子掺杂对ATA结构阻变存储器的Retention性能影响

3.6本章小结

第四章 Al、Si、V离子掺杂对ATA结构电子型阻变器件的机理研究

4.1 ATA结构电子型阻变器件的传输机制

4.2掺杂不同离子的ATA结构电子型阻变器件的活化能

4.3本章小结

第五章 ATA结构电子型阻变器件与离子型阻变器件的性能对比

5.1 氧化钽基离子型阻变器件的制备与优化

5.2 氧化钽基离子型阻变器件的表征

5.3 Al掺杂的电子型器件与氧化钽基离子型器件性能对比

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

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