基于HfO_2的阻变存储器中Ag导电细丝方向和浓度的第一性原理研究

摘要

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了基于HfO_2的阻变存储器中Ag导电细丝浓度以及方向性.通过计算Ag杂质5种方向模型的分波电荷态密度等势面图、形成能、迁移势垒和分波电荷态密度最高等势面值,发现[-111]方向最有利于Ag导电细丝的形成,这对器件的开启电压、形成电压和开关比有很大影响.本文基于最佳的[-111]导电细丝方向,设计了4种Ag浓度结构.计算4种Ag浓度结构的分波电荷态密度等势面图,得出Ag浓度低于4.00 at.%时晶胞结构中无导电细丝形成且无阻变现象.当Ag浓度从4.00 at.%增加到4.95 at.%时,晶胞结构中发现有导电细丝形成,表明Ag浓度高于4.00 at.%时,晶胞中可以发生阻变现象.然而,通过进一步对比计算这两种晶胞结构中Ag的形成能、分波电荷态密度最高等势面值、总态密度与Ag的投影态密度发现,Ag浓度越大,导电细丝却不稳定,并且不利于提高阻变存储器的开关比.本文的研究结果可为改善基于HfO_2的阻变存储器的性能提供一定理论指导.