碳纳米管电极基阻变存储器的特性研究

摘要

近年来，具有高密度、高速度和低功耗等特点的非挥发性存储器件在存储器的发展过程当中占据着越来越重要的地位。而在众多的新型非挥发性存储器中，阻变存储器展现出优越的微型化潜能、较快的工作速率、较低的能量功耗及较高的擦写次数等优势，故其被认为是取代传统存储器的最有利竞争者之一。随着器件的特征尺寸逐渐减小，碳纳米管优越的电学、热学性能及纳米量级的尺寸对于解决阻变存储器尺寸限制提供了途径。因此本文主要对碳纳米管电极在阻变存储器件中应用进行了探索，具体内容如下：
　　本文通过热 CVD的方法，主要从衬底退火工艺、催化剂的选择、CH4/H2流量比、生长时间和生长温度等方面对碳纳米管的横向生长工艺进行了探索和优化。通过实验结果得出当退火环境为500sccm O2，退火温度为900℃、退火时间为8h时，衬底的均方根粗糙度最小，最有利于CNTs的生长；当催化剂为1 nm Ni，CH4：H2=500:60，生长温度为900℃，生长时间为40min时，横向碳纳米管的生长质量相对最高，最有利于充当阻变存储器件的电极材料。并在该工艺条件基础上成功制备了HfO2/CNTs结构阻变存储器件。
　　基于HfO2/CNTs结构阻变存储器件，主要研究了Ta、Ti、Cu和Al四种不同金属上电极对HfO2/CNTs结构阻变器件性能的影响。通过对四种结构器件I-V特性的研究，发现所有器件都为典型的双极性阻变特性，并都具有自限流特性，其中 Al/HfO2/CNTs结构器件具有最低的功耗(Ireset=130 nA)及相对最好的阻变性能(自限流、forming-free和低阻态非线性等)。这也表明Al/HfO2/CNTs结构器件在高密度存储领域极具应用潜力。
　　在Al/HfO2/CNTs结构器件的基础上，本文还对该结构器件的阻变层HfO2厚度及催化剂线条的进行了优化。此外，通过与Al/HfO2/Ti结构器件阻变性能的对比，发现碳纳米管电极在器件的自限流、超低功耗和低阻态非线性等阻变特性中发挥着至关重要的作用。
　　最后，对 Al/HfO2/CNTs结构器件高低阻态的电流传导机理及相关阻变机理进行了探索，并得出器件的高低阻态分别遵循陷阱控制的空间电荷限制电流机制和空间电荷限制电流机制。因此器件的阻变机理可以归结于HfO2薄膜里的陷阱对电子的俘获与释放。通过对比研究，发现碳纳米管电极在阻变过程中仅仅是充当注入和释放电子的载体， HfO2在器件的阻变机理中发挥着关键性作用。Al/HfO2/CNTs器件的物理阻变模型因此也被提出。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2阻变存储器简介

1.3 碳纳米管(CNTs)简介

1.4碳纳米管电极基RRAM器件的研究现状

1.5本文研究的主要内容

第二章 器件的制备工艺及性能表征

2.1 衬底的退火及表征

2.2 碳纳米管的制备工艺

2.3 阻变层的制备工艺

2.4 上电极及电学接触的制备工艺

第三章 碳纳米管制备工艺的优化与分析

3.1衬底退火工艺的优化

3.2催化剂对CNTs生长的影响

3.3 CH4与H2流量比对CNTs横向生长的影响

3.4生长温度对CNTs横向生长的影响

3.5生长时间对CNTs横向生长的影响

3.6本章小节

第四章 HfO2/CNTs结构RRAM器件性能的优化

4.1不同金属上电极对HfO2/CNTs结构RRAM器件性能的影响

4.2不同HfO2厚度对Al/HfO2/CNTs结构RRAM器件性能的影响

4.3Al/HfO2/CNTs结构RRAM器件阻变性能的研究

4.4本章小节

第五章 总结与展望

参考文献

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