基于非晶態(tài)摻鍶錳酸鑭薄膜的憶阻器研究.pdf

1、目前，基于CMOS工藝的傳統(tǒng)存儲技術逐漸接近其物理極限，處理器和存儲器之間速度差造成的計算機存儲墻問題也變得越來越嚴重，這些都嚴重阻礙著計算機的進一步發(fā)展。憶阻器是除電阻、電容、電感之外的第四種電路元件，可同時用于信息存儲和邏輯運算，是新型非易失存儲技術的有力競爭者，也是緩解甚至解決計算機存儲墻問題的非常有前景的一種技術。
　　摻鍶錳酸鑭(La1-xSrxMnO3，LSMO)薄膜是一種鈣鈦礦結構的功能材料。據報道，晶態(tài)的LSMO薄

2、膜在外界電激勵下可表現(xiàn)出一定的電致電阻變化效應，但是存在電阻變化量小、操作電壓高、薄膜沉積溫度高等諸多問題。本文通過射頻磁控濺射法在較低溫度下沉積出了非晶態(tài) LSMO(a-LSMO)薄膜，并制備出Ag/a-LSMO/Pt結構的憶阻器，器件具有優(yōu)異的電阻開關特性和模擬型阻變特性，極大地提高了LSMO薄膜的阻變性能，同時工藝更簡便。對Ag/a-LSMO/Pt憶阻器的機理分析表明，阻變特性主要源于在類似固體電解質的a-LSMO薄膜中電化學氧化

3、還原反應生成的Ag納米細絲。
　　對a-LSMO薄膜的射頻濺射沉積工藝進行了研究。通過控制基片溫度在50℃左右，沉積出了電阻率為107~108Ω·cm的非晶態(tài)的高阻a-LSMO薄膜。濺射氣壓和氧分壓對a-LSMO薄膜的聚集密度有著較大影響。增加濺射氣壓，有利于聚集密度的降低。無氧分壓比有氧分壓時聚集密度低。隨摻Sr量的增加，a-LSMO薄膜的折射率呈增加趨勢。通過控制濺射功率和濺射時間，可實現(xiàn)對a-LSMO薄膜厚度的控制。然后在P

4、t/Ti/SiO2/Si基片上制備出Ag/a-LSMO/Pt憶阻器，并采用盧瑟福背散射、原子力顯微鏡和透射電鏡等對其進行表征，確定中間層LSMO薄膜為非晶態(tài)，成分為La0.79Sr0.21MnO3。
　　采用準靜態(tài)電壓掃描和高頻脈沖電壓激勵方式，研究Ag/a-LSMO/Pt憶阻器的阻變特性。準靜態(tài)電壓掃描下，器件可表現(xiàn)出非易失的雙極型電阻開關特性，高低電阻比超過104，電流-電壓(I-V)循環(huán)穩(wěn)定性超過102次，數(shù)據保持時間超過1

5、04 s，電形成電壓約為0.9 V，具有較小的閾值電壓，SET和RESET電壓的平均值分別為0.26 V和?0.19 V，SET和RESET的速度分別為50 ns和200 ns。通過控制限制電流的大小可實現(xiàn)對低阻態(tài)阻值的控制。器件在一定條件下還可表現(xiàn)出單極型、無極型和易失型電阻開關特性。高頻三角波脈沖電壓激勵下，器件可表現(xiàn)出優(yōu)異的I-V滯回特性。滯回曲線經過零點且呈“8”字形，在500Hz~2.5 MHz范圍內，滯回曲線所包圍的面積隨著

6、激勵電壓頻率的增加而減小，當頻率為2.5 MHz時滯回曲線幾乎縮減成直線，證明Ag/a-LSMO/Pt器件確實是一個憶阻器。器件在連續(xù)的正(負)電壓脈沖作用下，阻值可發(fā)生類似突觸功能的連續(xù)降低(增加)。器件在超過103次的方波脈沖循環(huán)測試中，高低阻值比始終保持大于10；在250 kHz的電壓激勵下，器件可經受102次的脈沖I-V循環(huán)；說明器件具有高穩(wěn)定性和可靠性。
　　依據阻抗譜、導電原子力顯微圖、變溫電學特性和SET過程中的電導

7、量子化等實驗結果，并結合I-V曲線對Ag/a-LSMO/Pt憶阻器的阻變機理進行了分析。憶阻器的電阻開關機理主要基于Ag+的遷移，通過電化學反應控制Ag納米細絲的形成和斷裂從而使電阻發(fā)生高低變化；RESET過程為焦耳熱輔助的電化學溶解過程。低阻態(tài)阻值小于12.9 kΩ時，Ag納米細絲處于橋接狀態(tài)；低阻態(tài)阻值大于12.9 kΩ時，Ag納米細絲處于隧穿狀態(tài)。隨限制電流的增加，Ag納米細絲尺寸增加，從而低阻態(tài)阻值降低，RESET電流則增加。A

8、g在Pt電極上的電結晶過程為SET過程的速率控制步驟。溫度升高時，Ag+的遷移速率和Ag的形核速率升高，SET電壓變小。雙極型電阻開關曲線中的RESET過程可歸納為電化學型、不穩(wěn)定型和焦耳熱型三種。高頻電壓激勵下的模擬型阻變特性是由電化學反應控制的Ag納米細絲的粗細變化引起的，a-LSMO薄膜中存在的納米孔隙為Ag納米細絲的尺寸變化提供所需空間。通過橢圓偏振光譜技術建立了非晶態(tài)復合氧化物薄膜的微觀結構與憶阻器的阻變性能之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)