金属氧化物金属异质结的电致电阻效应

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1、中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文金属．氧化物一金属异质结的电致电阻效应作者姓名：张玉指导教师：郑东宁研究员中国科学院物理研究所学位类别：理学博士学科专业：凝聚态物理研究所：中国科学院物理研究所2013年5月ByYuZhangADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthed

2、egreeofDoctorofScienceInstituteofPhysicsChineseAcademyofSciencesMay,2013摘要本文主要围绕提高氧化物阻变式存储器(R￡RAM)的性能以及探究其电阻转变的物理机制两个方面进行了研究工作。前两章介绍了ReRAM的研究背景和实验方法，包括薄膜制备方法、表征方法和电学性能测量方法的基本原理和实验参数。第三章详细介绍了低能氢离子辐照方法改善Au／Oxides／Pt异质结的单极性阻变特性。其原理是低能氢离子垂直穿过薄膜过程中，会在其路径的方

3、向可控的、定向的形成氧缺陷的导电通道，实现非高电场诱发模式的单极性阻变性能。为了分析该方法具有可行性和普适性，我们分别在不同的氧化物材料，包括SrTi03，Lao．7Cao．3Mn03(LCMO)，Pro．7Cao．3Mn03(PCMO)以及Ti02进行了实验，实验表明Au／0xides．irradiated／Pt异质结均呈现非高电场诱发模式的单极性阻变行为。此外，系统研究了Au／SrTi03／Pt异质结的电脉冲诱发阻变特性(EPIR)。第四章详细介绍了氧化物异质结的金属电化学型阻变特性。Ag／o

4、xides／Pt陲[变机制是氧化物层中发生了Ag通道的形成和分解过程。但是，初始氧化物层没有Ag+，需要Froming过程使得Ag在Ag／SrTi03界面氧化成Ag+，并注入至SrTi03层。经过Forming之后的Ag／SrTi03／Pt异质结阻变电压非常小，在士0．1V左右，具有低功耗的特点。通过分析ln(I／V2)一(1／V)曲线，推断出载流子输运机制，认为阻变过程伴随着直接量子隧穿、Fowler-Nordheim(F—N)隧穿以及金属导电机制的相互转化。此外，电脉冲诱发电阻转变实验结果显示

5、，微秒宽度单发脉冲就能充分诱发：Ag／SrTi03／Pt异质结阻变，而Ag／PCMO／Pt异质结只有在毫秒宽度多发脉冲条件才能充分诱发阻变。因此，认为Ag通道形成和分解过程是需要一定的反应时问，并且依赖于氧化物材料。第五章主要介绍了采用真空低温热处理的方法来提高金属电化学型存储单元的金属一氧化物一金属异质结电致电阻效应阻变特性。Ag原子经过退火过程，会热扩散至氧化物层，形成间隙原予。该间隙原子在电场的作用下，会在氧化物内部迁移并发生电化学反应，诱使异质结实现阻变特性。Ag／SrTi03／Pt和Ag

6、／PCMO／Pt经过真空100。C退火l小时后，其阻变性能都得到提高，并且每个存储单元的性能变得更加。一致性和均匀性。此外，发现在相同热退火的条件下，SrTi03的电阻发生了急剧变化，而PCMO的电阻几乎没有改变，认为这是由于Ag在不同材料中的扩散速度不一样而导致的。第六章是对全文的总结以及未来研究展望。关键词：电阻随机访问存储器，电致电阻转变效应，导电通道，氧化物电解质，热扩散，金属／氧化物／金属ResistanceswitchingeffectinMetal．-oxide-．Metalhete

7、rojunctionsAuthor：YuZhang(CondensedMatterPhysics)Directedby：Dong-NingZHENGAbstractThisthesismainlyfocusesontheinvestigationsofimprovingtheperformanceandexploringthephysicalmechanismsofoxide—basedresistancerandomaccessmemory(ReRAM)Thebackgroundandresea

8、rchstatusofReRAMandexperimentalmethodsincludingfilmpreparation，characterizationandmeasurementareintroducedinthefirsttwochaptersThethirdchaptermainlyreportsanewmethodoflowenergyH+irradiationtoim—provetheunipolarresistanceswitchingperformanceofA