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最近,一类新型非挥发存储器-基于电阻开关效应阻变材料存储器(ReRAM)的发展引人注目,被认为是可行性高而风险较小的纳米存储器件。该类存储器的基本结构是上,下电极中间夹一薄层阻变材料,像一个微小的电容器。改变加在阻变材料上脉冲电压的正负或大小,可以使阻变材料分别处于高电阻态或低电阻态,这种电阻态转变或开关效应是电场诱发阻变材料中发生相变或结构转变而导致的,两种状态(即“0”和“1”)都可在电场去除后长时间保持,由于其具有较快的读写时间,结构简单,可实现超高密度存储,与现有半导体工艺可兼容,是作为下一代非挥发存储器件的最优选择。其中的阻变材料体系包括:非晶硫系半导体,金属氧化物,固体电解质以及有机物。我们基于固体电解质材料的阻变开关特性,设计与制备了两种类型的非挥发性存储器.主要的研究成果如下:
1.采用悬浮熔炼工艺成功制备具有准确化学配比的固相靶材。首次采用PLD溅射工艺制备了非晶态Ag-Ge-Se固体电解质薄膜。通过分析检测薄膜的微观结构和表面形貌,优化了利用紫外脉冲激光沉积(PLD)方法制备该类型固体电解质薄膜的工艺。获得了具有较好的化学稳定性、均匀性和较好的表面平整度的固体电解质薄膜,满足了原型器件制备的需要。
2.采用聚焦离子束工艺和光刻工艺设计与制备5×5的阵列芯片,器件单元结构简单Ag/AGS/Pt,最小尺寸可以达到100nm,其高低阻态比值最高达到106,开关电压小于1V,器件写入时间最小可灰90ns,擦除时间最小至150ns,其开关次数可以达107次。
3.设计了一种工艺来制备固体电解质纳米阻变记忆元Ag/Ag30Ge17Se53/Pt的电镜观察样品。先在NaCl单晶基片上制备Ag30Ge17Se53薄膜,然后在Ag30Ge17Se53薄膜的两端分别制备Ag和Pt电极。给该体系材料通一段时间正向电压,同时实时记录电流变化。利用透射电镜观察到,未经电场处理的Ag30Ge17Se53薄膜(处于“关”态,即高电阻态)呈非晶状态,而被置于“开态”(即高电阻态)的Ag30Ge17Se53薄膜则出现电致相分离,同时薄膜中的平均Ag元素浓度也高于电场处理前的薄膜,这是Ag电极中Ag离子大量进入电解质的结果。能谱分析表明纳米线的化学组成为Ag65Ge5Se30或者Ag2(Ge0.14Se0.86)。这种金属间化合物纳米线具有良好导电性,正是这类纳米线的形成与瓦解使器件实现向“开”状态或“关”状态的转变。同时我们采用蒙特卡诺(MC)模拟了AGS薄膜电阻由高阻态转变为低阻态过程中,其内部多晶相析出生长成纳米线的过程。我们的这一新结果颠覆了传统的理论,提出了一个全新的理论模型。
4.首次制备了基于Cu/Cu2S/Cu-Pc/Pt双层薄膜机构的非挥发性阻变存储器单元,其尺寸范围1μm,开关电压相比同类有机存储器要小,一般小于1V;同时相对于一般固体电解质存储器,其高低阻态比值较高可达107,开关次数达105次。将该器件置于“开”状态时,测量了通过该器件的电流随温度变化关系曲线,结果表明这时器件呈现金属电导特性,在两电极之间Cu纳米线的形成与断开导致存储器高低电阻态的转换,按照铜的电阻率进行估算可得出金属铜纳米线的总截面积为80平方纳米左右。这有力地支持固体电解质薄膜中由于电化学沉积形成了铜的纳米线构造的结论。