謝　偉

(嶺南師范學院，廣東 湛江　524048)

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測量I-V特性分析阻變存儲器的導電機制

謝偉

(嶺南師范學院，廣東 湛江524048)

介紹了阻變存儲器及其I-V特性的測試分析方法。通過測量三明治結(jié)構(gòu)的阻變存儲器的I-V特性，采用多種擬合方法，與導電機制原理對比，可以判斷器件的導電機制，便于深入分析阻變機理。

電致阻變； I-V特性；導電機制

1　阻變隨機存儲器簡介

近年來，非易失性存儲器(NVM：non-volatilememory)由于其高密度、高速度和低功耗的特點，在存儲器的發(fā)展當中占據(jù)著越來越重要的地位。硅基flash存儲器作為傳統(tǒng)的NVM器件，已被廣泛投入到可移動存儲器的應用當中。但是，工作壽命、讀寫速度的不足，寫操作中的高電壓及尺寸無法繼續(xù)縮小等瓶頸已經(jīng)從多方面限制了flash存儲器的進一步發(fā)展。為了尋找替代flash的存儲器，多種新型器件得到了研究人員和產(chǎn)業(yè)界的關注[1,2]，這其中包括鐵電隨機存儲器(FeRAM)[3-4]、磁性隨機存儲器(MRAM)[5]、相變隨機存儲器(PRAM)[6]等。然而，F(xiàn)eRAM及MRAM的器件尺寸較大，并且難以縮小，人們開始將目光轉(zhuǎn)向阻變隨機存儲器(RRAM：ResistanceRandomAccessMemory)。

RRAM是基于電致阻變現(xiàn)象的一種新型的非揮發(fā)性存儲器，相比于傳統(tǒng)的Flash存儲器而言，它具有讀寫速度快、存儲密度高、結(jié)構(gòu)簡單及制作方法與傳統(tǒng)的CMOS工藝相兼容等優(yōu)點，并且RRAM器件具有相當可觀的微縮化前景。電致阻變是指在外加電場的作用下，器件的電阻會在相差較大的數(shù)值間轉(zhuǎn)變，稱為高阻態(tài)和低阻態(tài)，通常這種現(xiàn)象發(fā)生在具有金屬-絕緣體-金屬的三明治結(jié)構(gòu)的器件中[7]，圖1展示了典型的三明治結(jié)構(gòu)器件。對器件性能及其穩(wěn)定性的研究，需要測量器件的I-V特性，一般采用脈沖式的I-V測試，即給器件施加一個脈沖電壓，脈沖寬度在ns到ms量級不等，在這段時間內(nèi)采集電路中的電流信號，再施加下一個脈沖電壓，繼續(xù)測量，直至完成器件阻態(tài)的轉(zhuǎn)變。脈沖測試示意圖如圖2所示。

圖1　薄膜的電學性能測試示意圖

圖2　脈沖測試示意圖

2　利用I-V特性研究RRAM器件的阻態(tài)轉(zhuǎn)變及機理

對于三明治結(jié)構(gòu)的RRAM器件，可用上述方法測得I-V曲線。例如，采用旋涂法在Pt/Ti/SiO2/Si襯底上制備CaTiO3薄膜，再利用磁控濺射技術(shù)在薄膜表面濺射Pt作為上電極，即可測試該器件的I-V特性。在初始化后，可測得I-V曲線如圖3所示。

圖3　Pt/CaTiO3/Pt器件的I-V特性

圖4　(a)，(b)Pt/CaTiO3/Pt器件的正向低阻態(tài)和,(c)高阻態(tài)的導電機制擬合結(jié)果

3　結(jié)　　論

通過測試三明治結(jié)構(gòu)的阻變存儲器的I-V特性，可以獲得對其導電機制的認識。根據(jù)對I-V曲線的多種擬合結(jié)果，可以判斷導電機制的類型，繼而分析阻變存儲器的內(nèi)在機理。

[1]G.I.Meijer.WhoWinstheVolatileMemoryRace[J].MaterialsScience,2008,319:1625-1626.

[2]H.R.Lankhorst,W.S.M.M.Ketelaars,R.A.M.Wolters,Low-costandNanoscaleNon-volatileMemoryConceptforFutureSiliconChips[J].Naturematerials,2005,4:347-352.

[3]G.R.Fox.CurrentandFuctureFerroelectricNonvolatileMemoryTechnology[J].J.Vac.Sci.,2001,19:1967-1971.

[4] 路大勇，丁力，都田冒之.鈦酸鋇陶瓷片的制備和鐵電性質(zhì)的研究[J].大學物理實驗，2005(2)：8-15.

[5]S.Tehrani,J.M.Slaughter,M.Deherrera,SuperparamagnetismandtheFutureofMagneticRandomAccessMemory[J].J.Appl.Phys.2003,93:9310-9315.

[6]S.Lai。CurrentStatusofthePhaseChangeMemoryanditsFuture[A].Int.Electron.DevicesMeeting,2003,10.1.1-10.1.4.

[7]R.Waser,R.Dittmann,G.Staikov,K.Szot,Redox-basedResistiveSwitchingMemories-nanoionicMechanisms,prospects,andchallenges[J].Adv.Mater.2009,21,2632-2663.

[8]王永，管偉華，龍世兵，等.阻變式存儲器存儲機理[J].物理，2008,37:870-874.

Study on the Conduction Mechanism of Resistance RandomAccessMemoryviatheMeasurementofI-VCharacteristic

XIE Wei

(Lingnan Normal University,Guangdong Zhanjiang 524048)

Itintroducestheresistancerandomaccessmemory,andthemeasuringandanalysismethodfortheI-Vcharacteristicsareintroduced.TheI-Vcharacteristicsofthesandwichstructuredevicecanberecorded,andfittedbyseveralmethods.Fittingresultwascomparedwithmanyconductiveprinciples,andthentheconductivemechanismofthedevicecanbedetermined.Themethodishelpfulforthedepthanalysisofthemechanismofresistanceswitching.

resistiveswitching；I-Vcharacteristics；conductivemechanism

2016-03-21

國家星火計劃(2015GA780058)；廣東高校青年人才創(chuàng)新計劃(2014KQNCX188)；嶺南師范學院博士專項(ZL1503)

1007-2934(2016)04-0021-02

O431

ADOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.007