论文部分内容阅读
随着大数据时代的到来;数据量以指数级增长;传统闪存已经越来越迫近物理极限;难以满足海量数据存储需求。开发下一代低功耗、高速、高密度、高可靠性的非易失性存储器;具有重要意义;而阻变存储器性能优异;被认为是下一代主流存储技术之一。作为常见的快离子导体;碲基固态电解质材料具有微观缺陷丰富和非晶结构无序的特点;其阻变特性近年来也越来越受到关注。 本论文对碲基固态电解质材料的阻变特性进行了系统性研究;包括薄膜沉积与表征、纳米器件设计与制备、新材料探索、电极遴选、阻变特性调制与机理等方面;通过微观分析、数据拟合与第一性原理计算;深入探究了各种碲基材料的电阻转变机理;主要研究工作概述如下： （1）探索了BiTe、GeTe、GeSbTe（GST）碲基薄膜沉积工艺;研究了材料晶化特性;对晶态与非晶态薄膜材料进行了结构表征;分析了缺陷类型。采用紫外光刻、电子束光刻和剥离等微纳工艺手段制备出不同功能材料和特征尺寸的阻变存储器件。 （2）首次研究了BiTe材料的阻变存储特性;实验发现了其本征与非本征的双极性电阻转变行为。提出其本征阻变是基于普尔弗兰克（P-F）效应与离子迁移;发现TiW/BiTe界面处肖特基势垒有效提高了器件开关窗口比。基于Ag/BiTe/Pt器件;实现了Forming-free的低阈值高窗口阻变;提出其非本征阻变是源于电化学金属化反应。XPS、EDS、XRD等实验结果表明;扩散的Ag原子提高了BiTe非晶稳定性;且Ag/BiTe界面处肖特基势垒进一步提高了初始阻值;从而实现了高窗口阻变。 （3）首次在非晶GeTe中观察到本征电阻转变。基于Pt/GeTe/Pt器件;通过控制限流实现了双极性阻变向无极性阻变转变的现象。研究发现当电导低于量子化电导G0时;Reset表现为渐变特性;而电导高于G0时;表现为突变特性;提出了形成富Te导电丝通路的电阻转变模型。研究了器件高低阻态的输运特性;发现高阻态主要是源于P-F发射;低阻态是基于变程跃迁。在特征尺寸250nm的Ag/GeTe/Pt器件中;实现了80ns、50pJ的低阈值非本征电阻转变。HRTEM、EDS mapping和XPS测试结果表明;Ag以单质形式扩散进入GeTe功能层;未有Ag-Te键形成; Raman结果证实了非晶GeTe的局域有序结构;进一步通过第一性原理计算可知;扩散的Ag原子提高了GeTe无序度;从实验和理论上解释了器件Forming-free和低阈值阻变行为。 （4）基于三元碲基材料GST;发现Ag/GST/Pt器件展现出双向双极性阻变特性。通过低温R-T测试;验证了双向阻变都是基于电化学金属化反应。提出扩散至Pt电极处的Ag纳米团簇;为负向Set提供了阳离子源。负向大电压Reset后形成的少Ag界面;显著提高了器件性能;说明调控Ag梯度和防止Ag大量扩散;对改善器件性能具有重要意义。对比不同电极组合的 GST 本征阻变特性发现;TiW/GST/Pt 器件展现出更稳定的本征电阻转变行为。首次通过TEM和XPS在GST/Pt界面处观察到单质Sb相析出;提出界面间元素扩散后;Pt电极处富集的单质Sb诱导了金属导电丝的生成。 （5）研究发现BiTe、GeTe、GST均能实现Forming-free低阈值非本征电阻转变;提出其非本征阻变是基于电化学金属化机理。其中 GeTe具有最好的阻变开关特性;而BiTe部分晶化和GST较之GeTe更高的空位率;使得它们在实际应用中需要进一步性能改善。首次研究了三种材料的本征阻变特性;提出空间电荷限制导电与普尔弗兰克发射机理;此外;界面处肖特基势垒与元素扩散对阻变性能的影响也被着重讨论。