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ZnO基纳米结构阻变式随机存储器

ZnO基纳米结构阻变式随机存储器

作者：赵凯东东北师范大学

学位级别：硕士

阻变式随机存储器因其具有密度高、速度快和结构简单等特点而备受人们关注。然而，这类存储器经常会出现参数不稳定等弊端，如：高阻态和低阻态的阻值不稳。出现这种现象可能与其机制有关：电阻值转变的原因是电场下导电细丝会进行形成... 详细信息

阻变式随机存储器因其具有密度高、速度快和结构简单等特点而备受人们关注。然而，这类存储器经常会出现参数不稳定等弊端，如：高阻态和低阻态的阻值不稳。出现这种现象可能与其机制有关：电阻值转变的原因是电场下导电细丝会进行形成和断裂，导电细丝的形成过程是随机的，每次转变过程的导电细丝形成未见得是同一路径，这就导致了与导电细丝形成有关的参数不稳定，因此，为了提高器件的参数，我们希望能够找出一种方法来控制导电细丝的形成。与此同时，随着人们对生活品质追求的提高和电子技术的发展，电子器件的柔性化也成为当今研究的热点。但寻找到合适的材料却变成了构造柔性阻变式随机存储器的过程中的关键问题。本文的内容主要包括以下几个方面： (1)提出了50nm聚苯乙烯微球调制的纳米器件结构，试图提高器件参数的稳定性。对比Pt/IGZO/Al/SiO/Si的平面电极器件，聚苯乙烯微球调制结构的器件Pt/IGZO/Al/PS-NS/SiO/Si不但降低了器件高阻态和低阻态的离散型，还很好的提高了器件reset过程的稳定性，“good”比例从26%提高到73%。我们认为这与器件的导电细丝形成和断裂的机制有关，我们制备的这种独特的纳米结构会令器件的顶电极和底电极之间形成一种类球形电场，从而控制导电细丝的形成，以至于达到稳定参数的目的。 (2)应用旋涂技术在塑料衬底上制备了以ZnO纳米线嵌入聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)有机物的纳米复合材料为转换层的柔性阻变式随机存储器件。此器件展现出良好的单极性电阻转换效应(RS)，具有较好的电学性能。在柔性测试中，其展示了优异的抗弯折性能以及持久的机械寿命，器件在经受不同弯折角度和多达105的弯折次数后，性能没有明显的退化，存储信息保持良好。此器件中的阻变行为可能与附着在ZnO纳米线表面的氧空位和(或者)锌离子有关，致使导电细丝(CFs)沿着ZnO纳米线方向形成。这种独特的转换机制和良好的抗弯折性能，表明了该器件具有在柔性存储器中应用的前景。

关键词：阻变式随机存储器高阻态低阻态柔性电阻转换效应 ZnO纳米线 PMMA

基于Cu_xSi_yO阻变材料的RRAM抗总剂量辐照性能

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复旦学报（自然科学版） 2013年第3期52卷 292-296页

作者：朱伟简文翔薛晓勇林殷茵复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室上海201203

研究了基于CuxSiyO结构的阻变式随机存储器(RRAM)的抗总剂量辐照能力.存储器芯片置于钴源辐照室内,通过60 Co释放出的γ射线模拟空间辐照环境.在辐照总剂量达到3 000Gy的条件下,单元仍然可以保持原有的存储信息,高低阻态的阻值、写电压... 详细信息

研究了基于CuxSiyO结构的阻变式随机存储器(RRAM)的抗总剂量辐照能力.存储器芯片置于钴源辐照室内,通过60 Co释放出的γ射线模拟空间辐照环境.在辐照总剂量达到3 000Gy的条件下,单元仍然可以保持原有的存储信息,高低阻态的阻值、写电压、良率等性能几乎没有任何衰减.良好的辐照特性使得RRAM有望在抗辐射领域中得到广泛应用.

关键词：阻变式随机存储器总剂量辐照 CuxSiyO 60Coγ射线

基于LiFePO4薄膜的阻变存储特性及其机制研究

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基于LiFePO4薄膜的阻变存储特性及其机制研究

作者：刘俊东北师范大学

学位级别：硕士

近年来,阻变式随机存储器件(RRAM)因具有高密度、高速度、结构简单及低功耗等特点得到了广泛关注。其中,金属氧化物基RRAM的主要运行机制可归因于氧离子/氧空位在电场作用下的分离与复合。与氧离子迁移类似,锂电池的运行原理是通过控制L... 详细信息

近年来,阻变式随机存储器件(RRAM)因具有高密度、高速度、结构简单及低功耗等特点得到了广泛关注。其中,金属氧化物基RRAM的主要运行机制可归因于氧离子/氧空位在电场作用下的分离与复合。与氧离子迁移类似,锂电池的运行原理是通过控制Li可逆的脱出/嵌入来实现电池的充放电过程,而这种反复的脱嵌同样可能实现材料电阻可逆的转变。因此,我们将锂电池材料中性能较为优异的LiFePO应用到RRAM中,并对其开展了阻变性能与阻变机制的研究。我们选择储锂能力强的层状石墨作为衬底及底电极,使用PLD技术在600℃、Ar环境下制备LiFePO薄膜,然后热蒸镀Au作为顶电极。构成Au/Li FePO4/C器件之后,首先对其阻变性能进行了研究。I-V测试结果展示此器件具有良好的、稳定的双极性阻变特性,且无Forming过程、开启/关闭电压较小(约±1.5V)、开关比较高(>102)、保持特性良好(>104s)、电阻转换速度较快(阻态进行调控,进而实现了多级存储。之后,我们对此器件的阻变机制进行了分析,以及更为深入的实验探究。不同厚度的对比实验、不同底电极的对比实验以及多级存储的实现,都表明阻变现象的产生与薄膜中锂离子的含量有着密不可分的关系。此外,变温测试、二次离子质谱测试以及拉曼测试更强有力地证明了,在施加电场后产生阻变的同时,确实出现了锂离子的迁移。基于以上实验分析,我们提出了一种可能的阻变机制模型:外加电场可调节Li FePO4薄膜中的锂含量,使器件实现高低阻态间的可逆转变。若对器件的顶电极一侧施加正向扫描电压,则LiFePO薄膜中的锂离子会朝石墨一侧迁移,后被存于其中,由于锂含量的降低使薄膜中形成缺锂通道,器件由HRS转变为LRS。反之,若施加负向扫描电压,则锂离子将迁回LiFePO薄膜,由于锂含量的升高使薄膜中形成富锂通道,器件由LRS转变为HRS。总而言之,我们使用PLD技术成功制备出Au/LiFePO/C存储器,此器件展示了良好的阻变性能,且机制探究较为清晰,表明此器件具有良好的发展前景。

关键词：阻变式随机存储器 LiFePO4材料多级存储阻变机制

基于氧化石墨烯的阻变存储器机理及其性能研究

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基于氧化石墨烯的阻变存储器机理及其性能研究

作者：谢瑜东北师范大学

学位级别：硕士

按照摩尔定律的发展规律,传统的浮栅存储器受限于电荷遂穿等原因,尺寸已经逼近物理极限,难以满足大数据存储的需求。开发基于不同工作机理和结构的新型信息存储器件有助于突破这种摩尔定律限制。非易失性阻变存储器(RRAM)由于其转换速... 详细信息

按照摩尔定律的发展规律,传统的浮栅存储器受限于电荷遂穿等原因,尺寸已经逼近物理极限,难以满足大数据存储的需求。开发基于不同工作机理和结构的新型信息存储器件有助于突破这种摩尔定律限制。非易失性阻变存储器(RRAM)由于其转换速度快、保持时间长、功耗低以及器件结构简单等优点引起人们的关注。传统的RRAM器件是金属/绝缘体/金属(M/I/M)这种三明治结构,通过电学信号刺激实现器件阻态变化来进行信息存储。目前为止在很多种材料中发现电阻转变效应,包括金属氧化物、金属硫化物、有机物、非晶硅、碳等。氧化石墨烯(GO)材料以其独特的光电特性,在微电子领域展示出良好的应用前景。GO材料具有制备工艺简单,可大面积成膜、电学性质易于调控等优点近年来被用于阻变存储器件研究。研究表明GO在展示出电致阻变特性的同时兼具柔性、透明等优点,是极具潜力的下一代存储材料。然而,GO基RRAM的阻变机理尚不明确,器件性能较低等问题一直制约其进一步发展。因此,本论文在氧化石墨烯阻变存储器工作机理、器件阻变性能提升等方面展开工作。具体研究如下:阻变工作机理探究:利用具有不同氧活性的电极构筑了Al/GO/Al器件、Au/GO/Au器件,探究了不同电极的氧化石墨烯基阻变存储器的阻变行为。通过器件电学特性表征、电子传导机制研究,初步证实了其阻变机制是sp2和sp3态的相互转换的过程。利用紫外光刻的方法构筑平面结构的Au/GO/Au微尺度器件,通过对原位观测GO阻变过程中材料结构变化以及利用XPS能谱、Raman光谱表征GO材料阻变前后的成分变化进行分析,进一步明确了GO阻变机理。阻变性能提升探究:针对GO阻变存储器件导电通道形成与断开过程的随机性导致的器件参数波动性以及转变电压较大等问题,本论文采用TiO2纳米粒子掺杂以及紫外光辐照等方法,在GO内部构筑局域化电场来控制材料内部氧分布。研究表明,局域电场能够降低导电通道的随机性,有效提升器件阻变稳定性,此外,器件功耗也被有效地降低。该方法是一种简单、实用的优化GO阻变存储器稳定性的手段。

关键词：阻变式随机存储器氧化石墨烯阻变机制性能优化

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NiO:Li薄膜的阻变特性研究

NiO:Li薄膜的阻变特性研究

作者：吴斯东东北师范大学

学位级别：硕士

近些年来，阻变式随机存储器被认为是下一代非挥发性存储器，从而引起了人们的广泛关注。阻变式随机存储器因其结构简单，转变速度快，低功耗，密度高,低成本等方面的特点备受关注。 NiO薄膜是一种P型半导体材料，广泛应用于各种不同的... 详细信息

近些年来，阻变式随机存储器被认为是下一代非挥发性存储器，从而引起了人们的广泛关注。阻变式随机存储器因其结构简单，转变速度快，低功耗，密度高,低成本等方面的特点备受关注。 NiO薄膜是一种P型半导体材料，广泛应用于各种不同的领域，包括电致变色，传感器，光电探测器，染料太阳能电池等多个领域。同时，NiO是阻变式随机存储器研究材料中最重要的一种，它已经成为了人们研究的热点。在本论文中，我们利用脉冲激光沉积技术制备了NiO:Li薄膜，并研究了不同衬底温度及氧气分压对薄膜的影响，并以此为依据，构造了Pt/NiO:Li/Pt三层结构的阻变式随机存储器。其研究内容如下：通过调节衬底温度和氧气分压成功制备了NiO:Li薄膜;制备得到的存储器件开关电压分别为2.4V和1.4V，开关电阻分别为200K和15K，开关转变速度分别为200ns和1μs;其导电机制主要是SCLC导电类型，其电阻转变机制符合导电通道模型。

关键词： NiO:Li 阻变式随机存储器脉冲激光沉积导电通道金属-绝缘层-金属

海藻酸钠/黑磷量子点复合薄膜基忆阻器构筑及其神经突触仿生研究

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海藻酸钠/黑磷量子点复合薄膜基忆阻器构筑及其神经突触仿生研究

作者：孙若瑶东北师范大学

学位级别：硕士

忆阻器由于其阻变行为的不同,可以分为数字型忆阻器和模拟型忆阻器,分别应用于阻变式随机存储器和神经突触器件仿生等方面。其中,阻变式随机存储器(RRAM),由于其结构简单,速度快,低功耗等优点,被认为可以取代闪存成为下一代新型非易失... 详细信息

忆阻器由于其阻变行为的不同,可以分为数字型忆阻器和模拟型忆阻器,分别应用于阻变式随机存储器和神经突触器件仿生等方面。其中,阻变式随机存储器(RRAM),由于其结构简单,速度快,低功耗等优点,被认为可以取代闪存成为下一代新型非易失存储器。同时,模拟型忆阻器因其电阻能够连续可调,与神经突触传输特性高度相似,被视为是模拟神经突触最具潜力的器件之一。海藻酸钠(SA)作为一种天然多糖,由于其自身的可溶性,稳定性,无毒性,可作为构建柔性电子器件的理想材料。我们在海藻酸钠材料制备忆阻器件的基础之上,将二维黑磷量子点(BPQDs)掺杂在SA中,通过调节材料中黑磷量子点的占比,对数字型忆阻器件的阻变参数进行了调控,并实现了器件从数字型忆阻器向模拟型忆阻器的转变。此外,我们利用BPQDs对紫外光良好的响应特点,通过紫外光辐射调控其在RRAM以及神经突触仿生等方面的性能,实现了光电突触功能的模拟。具体工作如下:1.海藻酸钠基忆阻器数字型阻变特性研究:首先,本文构筑了Ag/SA-BPQDs/ITO器件,通过相关的电学测试以及对其阻变机制的研究得出:调节器件中黑磷量子点的占比,可以实现对器件RRAM功能的调控,证实了当海藻酸钠中所掺杂的量子点的质量分数在10%以下时,器件可以实现良好的存储功能,且在掺杂量子点质量分数为8%时器件的开启电压最低,器件具有最好的波动性。并且通过调节限制电流的大小,在该器件中实现了多级阻态的转变行为。此外,利用BPQDs良好的荧光特性,通过调节紫外光照射器件的时间,进一步实现了对器件转变电压与电阻态的调控,将器件的阻变行为拓展到了光电功能的领域。2.海藻酸钠基忆阻器模拟型阻变特性研究:首先,我们通过增大海藻酸钠中量子点的占比,构筑了量子点质量分数为15%与20%的Ag/SA-BPQDs/ITO器件,从而实现了忆阻器件从高低阻切换向电阻连续可调的变化。其次,在构建了Ag/SA-BPQDs/ITO模拟型器件的基础之上,成功实现了如放电时间依赖可塑性(STDP)等生物突触可塑性的模拟。此外,利用紫外光照调控该器件忆阻行为:光照后器件在突触功能模拟时对电流的响应更为敏感。最后,我们基于柔性衬底构筑了可弯折的Ag/SA-BPQDs/ITO模拟型器件,通过相关测试证实了器件在经历多次及大角度弯折后仍具有良好的忆阻性能。

关键词：忆阻器阻变式随机存储器神经突触黑磷量子点海藻酸钠

LiFeP04 随机存储器件的阻变特性研究

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LiFeP04 随机存储器件的阻变特性研究

作者：吴呈东北师范大学

学位级别：硕士

阻变式随机存储器(RRAM)具有结构简单、存储密度高、转换速度快、能量消耗低以及保持时间长等卓越的性能,这使它成为最有潜力的非易失性存储器,并受到人们的广泛关注。最近一些锂离子电池阴极材料作为中间阻变层,利用Li+迁移导致的氧化... 详细信息

阻变式随机存储器(RRAM)具有结构简单、存储密度高、转换速度快、能量消耗低以及保持时间长等卓越的性能,这使它成为最有潜力的非易失性存储器,并受到人们的广泛关注。最近一些锂离子电池阴极材料作为中间阻变层,利用Li+迁移导致的氧化还原过程实现阻变行为。本论文选择磷酸亚铁锂(Li Fe PO4)作为阻变层材料,因为它兼具RRAM器件所需的电导率低且稳定性好这两个特性。同时,对Li Fe PO4阻变器件的阻变性能和阻变机制进行研究。本论文利用磁控溅射和热蒸发的方法制备Li Fe PO4阻变器件,并研究不同退火温度及不同底电极对器件阻变现象的影响。根据条件的优化,选择600°C退火的Au/Li Fe PO4/C(石墨片)结构的器件进行阻变特性研究。600°C退火的Au/Li Fe PO4/C器件展示出典型的双极性电阻转换特性,并且性能良好,具有快的转换速度、小的转换电压、好的耐受性和长时间的电阻保持特性,以及较高的均一性和可控性,这对于实际应用阻变存储器来说是很重要的。同时,通过改变反向扫描电压和限制电流观察到一些可逆且稳定的电阻态,表明器件可以实现多级存储。另外,对器件所展示的电阻态进行温度依赖测试,发现所有的电阻态展示了与初始电阻态相似的温度依赖特性;通过对比各阻态的激活能,发现随着电阻的减小电子的激活能逐渐减小。猜测:在电场的作用下Li+发生迁移,随着电阻态阻值的减小导电通道中Li的浓度减小,导致相关缺陷增加,从而减小器件电子的激活能。最后,通过二次离子质谱监测器件深度剖面的Li含量,发现在高低电阻态时石墨片中Li含量是不同的,证明了Li迁移的模型。因此,提出Li迁移的模型解释Au/Li Fe PO4/C器件的阻变行为。在电场作用下Li+在Li Fe PO膜和石墨片中进行可逆迁移,进而实现导电通道中Li浓度的逐渐改变,实现多级电阻态存储。

关键词：阻变式随机存储器磷酸亚铁锂均一的电阻转换多级存储激活能

基于有机—无机杂化钙钛矿材料的阻变存储器行为研究及其性能优化

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基于有机—无机杂化钙钛矿材料的阻变存储器行为研究及其性能优化

作者：孙绍武东北师范大学

学位级别：硕士

依赖于浮置栅极结构的传统存储器件闪存受限于其物理本质遭遇了发展瓶颈,为了满足快速发展的信息存储需求,新一代存储器件的研发势在必行。在目前科研人员关注的几类新型存储器中,阻变式随机存储器(RRAM)以其在器件结构、存取速度、循... 详细信息

依赖于浮置栅极结构的传统存储器件闪存受限于其物理本质遭遇了发展瓶颈,为了满足快速发展的信息存储需求,新一代存储器件的研发势在必行。在目前科研人员关注的几类新型存储器中,阻变式随机存储器(RRAM)以其在器件结构、存取速度、循环寿命等方面的独特优势被认为是下一代存储器件最有力的候选者之一。对于RRAM器件而言,阻变层材料对其性能有着很大的影响,多种材料体系的器件在不同的应用领域具有特殊的潜力,其中有机-无机杂化钙钛矿材料具有制备工艺简便、带隙可调、光电响应好等优势,对于阻变器件的多模式应用、尤其是光电结合应用具有重要的意义。因此,本文选用基于CHNHPbI(下文简称为MAPbI)材料的阻变器件,针对其阻变行为和性能优化进行了以下研究:MAPbI阻变存储器件制备及电学特性:(1)采用两步法获得稳定MAPbI薄膜并以此制备Al/MAPbI/FTO结构存储器件,器件自限制稳定循环、电阻转变迅速(小于100ns);(2)研究了递进幅值脉冲对器件电阻状态的影响,通过控制脉冲幅值实现了器件电阻变化由数字式突变向模拟式缓变的转换,器件阻态在50?至800?范围内可调节,在神经突触仿生、记忆行为模拟等领域具有一定的应用潜力;(3)研究了限制电流对器件保持特性的影响,通过施加不同大小的限制电流(5 mA-500μA)实现了器件保持时间的调控和阻变行为由非易失性向易失性的转变,并在器件的易失性行为中发现了量子电导的现象,在高密度存储、原子开关等领域具有一定的应用潜力;(4)研究了器件的电阻转换机制,通过I-V曲线拟合及变温测试证明了器件电阻转换的物理本质是基于碘离子迁移的空位导电通道机制。MAPbI阻变存储器件性能优化方法:电激活过程中碘空位的过量产生及循环过程中碘空位通道的增殖,会对器件阻变性能产生极大的影响,针对以上两方面问题,我们设计了可见光辅助的电激活过程和引入α-C阻挡层两种方法对器件运行可靠性进行优化。(1)通过使用可见光辅助的电激活过程方法,器件窗口值由7提升至20、功耗由17.95 mW降低至0.87 mW、阻态离散系数由23.02%/43.50%(HRS/LRS)降低至7.93%/20.08%。通过实验验证了阻变性能优化的机制可以归因于可见光辐照降低碘离子激活能(即降低形成电压)对过充电流的抑制作用和光生载流子对寄生电容效应的削弱作用;(2)通过引入α-C阻挡层的方法,器件窗口值由10提升至18、功耗由653μW降低至74μW、高阻态离散系数由48.92%降低至17.60%。通过实验分析判断器件优化机制可以归因于α-C阻挡层对碘挥发的抑制作用。

关键词：阻变式随机存储器有机-无机杂化钙钛矿阻变行为性能优化

基于新型SBT忆阻器的神经突触和存储电路研究

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基于新型SBT忆阻器的神经突触和存储电路研究

作者：窦明龙山东科技大学

学位级别：硕士

忆阻器作为第四种基本电子元件,因其独特的非线性特性、神经突触特性、非易失性、纳米级的尺寸和低功耗等特性,在许多领域,尤其是在神经突触仿生和阻变式随机存储器方面被广泛应用。当忆阻器受到外加电压刺激时,其忆导值会发生连续的变... 详细信息

忆阻器作为第四种基本电子元件,因其独特的非线性特性、神经突触特性、非易失性、纳米级的尺寸和低功耗等特性,在许多领域,尤其是在神经突触仿生和阻变式随机存储器方面被广泛应用。当忆阻器受到外加电压刺激时,其忆导值会发生连续的变化,这与生物神经突触间隙的连结强度调节类似。此外,忆阻器在形态结构上还具有纳米级尺寸、易集成等优势,所以被认为是实现人工神经突触的最好方法。另一方面,忆阻器具有非易失性、多值特性和纳米级尺寸等特性,这非常符合下一代存储器的设计需求。本文以自主研发的Sr0.97Ba0.03TiO3-δ(SBT)实物忆阻器为研究对象,建立了新的忆阻模型,深入研究了 SBT忆阻器的工作原理。同时基于SBT忆阻器,设计了忆阻神经突触和存储电路,模拟了突触的学习行为,实现了数据存储和逻辑计算。主要研究内容有(1)通过分析SBT忆阻器的实测数据,构建了对应的数学模型,分析了 SBT忆阻器的基本特性,为后续的人工神经突触和存储电路的研究奠定基础。(2)基于SBT忆阻神经突触器件进行了神经突触的可塑性和高阶学习功能研究,实现了突触的非线性传输特性、经验式学习及长时/短时突触可塑性等基本功能。并进一步模拟了符合人类认知规律的非联合型学习。(3)利用SBT忆阻器的多值特性和非易失性,设计了二值存储电路、多值存储电路和忆阻逻辑电路,该电路能够实现“与”、“或”、“异或”三种逻辑运算。上述研究发挥了 SBT忆阻器的纳米级尺寸特性、非线性特性、神经突触特性和断电非易失性等优点,证明SBT忆阻器具备模拟人工神经突触和存储信息的能力,为我们下一步搭建复杂人工神经网络和阻变式存储器做好准备。

关键词：忆阻器人工神经突触阻变式随机存储器逻辑电路