石墨烯氧化硅纳米间隙结构中多态存储及可调制电致发光特性研究

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1、④罾级：(进蜜迨奎垫呈蜜题，垒珏造室丕丝要2中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文互墨燧盘业硅垫苤回随缝掏生垒查在篮丞亘遢剑曳夔筮选鳖丝班塞作者姓名：值聪匝指导教师：韭[主班殛虽学位类别：堡堂盟±学科专业：箍鐾查物堡研究所：主国登坐陆物理班茳压2013年5月MultilevelResistiveSwitchingandTunableElectrolum—in—escen——ce——．CongliHeADissertation／ThesisSubmittedtoTheUniversityof

2、ChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofScienceInstituteofPhysics，ChineseAcademyofSciencesMay,2013摘要电阻式随机存储器(ⅪuM)是基于电致电阻效应的一种新型存储器，因其结构简单、读写速度快、功耗低、可实现多态存储和3D集成等优点而引起科学界广泛的关注。典型的RRAM器件为金属．绝缘体一金属结构。碳基材料如石墨烯、碳纳米管、非晶碳，由于其独特的电学、力学、光学和其他新奇的

3、物理特性，使其在未来纳米电子学器件领域有很大的应用前景。近几年，碳基材料被用来替代金属电极以开发高密度、高速度、低成本的RRAM器件。本论文讨论利用纳米石墨烯薄膜纳米间隙电极／氧化物结构构造可集成、低成本RRAM器件，并对器件的电学性能与光学性能进行了系统的研究。主要结果如下：1．利用与现有CMOS工艺兼容的等离子体化学气相沉积方法在氧化硅上生长大面积、均匀的纳米石墨烯薄膜，结合现有的标准的微加工技术，将纳米石墨烯薄膜加工成两端器件。器件经历激活过程后，纳米石墨烯薄膜被电击穿，并在器件中央形成纳米间隙结构。该纳米间隙结构表现出良好的存储特性，抗疲劳

4、性>104次，保持时间>105S，擦写速度<500rls。该结构表现出稳定可控的多阻态转变，施加不同的复位电压，可以得到至少5个电阻态，可以用来实现多态存储。在相同存储单元体积下，存储容量大大增加。因此，这种PECVD方式生长的纳米石墨烯薄膜在开发高密度、高速度、低成本的非易失性存储器方面很有潜力，从而可用于人工神经网络和超级计算机的开发。2．研究了纳米石墨烯薄膜／氧化物纳米间隙结构阻变存储器件的存储机制。器件在Forming过程中，电流产生大量焦耳热使纳米石墨烯电击穿，同时导致其下方二氧化硅层的发生相分离。器件在工作过程中，电激励下热辅助的氧化还

5、原电化学反应促使Si纳米晶与SiOx相互转化，导致si纳米晶导电通道的形成与断开，从而实现器件的阻变行为。这种由于导电通道中Si纳米晶的存在导致的阻变现象得到了高分辨透射电子显微镜成像实验的证实。3．首次观察到纳米石墨烯薄膜／氧化物纳米间隙结构阻变存储器件中的可调制电致发光现象。光谱范围为400．1100nln的可见光区及近红外光区，且该结构的电阻态摘要不同，电致发光峰位不同；高、低阻态对应的发光峰位分别为550nlTl和770nln。该结构电致发光的响应时间和衰减时间分别为O．7¨s和17．7“s。我们认为这种可调制发光现象源于纳米间隙中形成的硅

6、纳米晶，注入的电子和空穴在硅纳米晶中复合导致了辐射发光。利用高分辨透射电子显微镜观察到了器件在高阻态、低阻态时纳米间隙结构中形成的硅纳米晶尺寸具有不同。不同尺寸的硅纳米晶的带隙不同，从而导致不同波长的光发射现象。基于这种简单的纳米间隙结构可以开发低成本、大面积的集成光源及产生～us量级的光脉冲，用于照明、显示及光开关等领域。该结构中电阻态和发光态是互相关联的，通过施加不同的电压偏置，设置该结构到不同的电阻态，从而来调制器件发射不同颜色的光，反过来，我们还可以通过收到的光谱判定器件的电阻态，因此，该器件可以用于信息存储与传输，为开发新型多功能纳米光电

7、器件提供了一种新的思路。关键词：电阻型存储器，Graphene／Si02纳米间隙结构，多阻态电阻转变，硅纳米晶，电致发光AbstractResistance—switchingrandomaccessmemory(RRAM)hasattractedbroadinterestsrecentlyduetoitssimplestructure，highoperationspeed，longretentiontime，lowpowerconsumption，andcapabilityofmultilevelswitchingwhichenablesmult

8、ibitstorage．AtypicalRRAMdeviceisknownasatwo—terminalmetal—ins