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        測量I-V特性分析阻變存儲器的導電機制

        2016-09-08 09:10:10
        大學物理實驗 2016年4期
        關鍵詞:電致三明治存儲器

        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

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