nb3asrtio3薄膜和al2o3薄膜与其叠层结构的电致阻变特性的分析

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1、摘要阻变存储器因为其具有高开关速度、高存储密度、低功耗、可靠的稳定性、优异的可扩展性以及与CMOS工艺相兼容等特点，被认为是下一代非易失性存储器中最具有前景的候选者。然而其电阻进行变换的机制仍然不清晰，这成为RRAM进一步发展并得以应用的最大障碍。典型钙钛矿结构Nb:SrTiO3(NSTO)和高绝缘Al2O3分别具有界面效应和细丝机制决定的电致阻变特性，对这两种材料阻变特性的进一步研究更有利于电阻变换机制的讨论。本文采用脉冲激光沉积技术(PLD)和磁控溅射技术制备了掺杂0.7wt%Nb的SrTiO3(NSTO)薄膜和高绝缘Al2O3薄膜，通过

2、改变电极和堆叠介质层的方法，系统研究了基于NSTO薄膜和Al2O3薄膜的阻变器件的开关特性，并对其机制问题进行了探讨。本论文包括以下几个方面：1.Pt/NSTO/Pt存储器件的制备和电致阻变特性的研究Pt/NSTO/Pt存储器件是单双极共存的电致阻变存储器。逆时针双极开关特性随着循环次数的增加逐渐稳定，单极开关特性相对比较稳定。双极开关特性主要是由上下界面的肖特基势垒高度或宽度的改变形成的；单极特性主要是由载流子、氧空位或者其他缺陷组成的导电细丝的形成与断裂决定的。2.Al/NSTO/Pt存储器件的制备和电致阻变特性的研究Al/NSTO/Pt

3、器件初始具有双向肖特基势垒，上界面势垒高度高于下界面。但随着扫描电压的增大，器件逐渐表现出下界面肖特基势垒决定的顺时针双极开关行为，且具有多级存储效应。对器件施加适当的击穿电压形成新的开关单元，新的开关单元具有更加稳定、可靠的逆时针双极开关行为，不再具有多级存储效应。不同回线方向的双极阻变开关行为，表明适当的击穿会对器件的肖特基势垒以及器件内部氧空位或其他缺陷的分布产生巨大的影响。Al电极和NSTO薄膜接触的界面生成的Al2O3高绝缘氧化层，对于器件性能的提高起到了重要的作用。是否具有多级存储效应则和下界面肖特基势垒有着密切的关系。3.NST

4、O插入层对Al/Al2O3/NSTO/Pt器件的电致阻变特性的影响插入NSTO层之后，器件的稳定性、开关电压、功耗等都得到了很大程度的提高。I具有NSTO插入层的器件没有常规的电形成过程，而是由一个润滑过程来代替。开关电压VON和VOFF分别减小为0.35V和-0.4V，具有很低的功耗。高低阻态也都具有很好的稳定性。多晶NSTO薄膜中存在着大量的氧空位、载流子或者其他的缺陷，因此器件不需要大电压的刺激去激发电致阻变行为，即没有形成过程。通过对电压-电流曲线的拟合发现，器件在ON态和OFF态遵循的导电机制分别是欧姆传导和普尔-法兰克效应。器件的

5、开关机制遵循导电细丝的形成与断裂，细丝主要由注入载流子形成，注入载流子可能来源于插入层NSTO和Al2O3的界面，界面势垒在开关转变中也起到了一定的作用。关键词：电致阻变特性，NSTO薄膜，Al2O3薄膜，脉冲激光沉积，磁控溅射IIABSTRACTWithbenefitsofhighswitchingspeed,reliablestability,highstoragedensity,lowpowerconsumption,wellscalabilityandthecompatiblefabricationprocesswithCMOS,re

6、sistancerandomaccessmemory(RRAM)isconsideredtobeamostpotentialcandidateforthenext-generationnonvolatilememory(NVM).ButthemechanismofRRAMisstillnotwellunderstood,whichisthebiggesttroubleforfurtherdevelopmentandapplication.WithtypicalperovskitestructureNb:SrTiO3(NSTO)filmandh

7、ighinsulationAl2O3filmdemonstrateasinterfacialeffectandthemechanismofconductivefilaments,respectively.Itisbeneficialtodiscussthemechanismsofelectricalresistancecharacterswithresearchingontheresistanceswitching(RS)charactersofNSTOandAl2O3.Basedonthissituation0.7wt%Nb-dopedSr

8、TiO3filmandAl2O3highinsulationfilmarefabricatedthoughpulselaserdeposition(PLD)andd