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ZnO阻变存储器的实验与数值模拟研究

【摘要】:随着移动终端、云计算、大数据等信息技术的突飞猛进,市场对性能优越的电子产品的需求日益迫切。存储器是限制计算机技术发展最大的阻碍,所以新一代高性能存储器的开发与研究被越来越多人关注。阻变存储器具有存储密度高、擦写速度快和非易失性等优点,拥有极大潜力取代目前市面上主流的闪存(flash)存储器。但经过近二十年的研究,阻变存储器依旧没能取代闪存,这是由于物理机制不明导致无法实现对阻变特性的调控。因此本文用数值模拟的方法研究ZnO阻变存储器的物理机制,为阻变特性的调控提供有效的思路与方法。本文通过研究制备参数对Zn O薄膜形貌以及Al/ZnO/p~+-Si结构阻变存储器阻变特性的影响,得到最优的制备参数,并对该参数下的ZnO阻变存储器进行了表征。研究结果表明溶胶凝胶法制备的Zn O为典型的纤锌矿结构,并且在电场作用下ZnO薄膜内产生了由氧空位构成的导电细丝(conductive filaments,CFs)。然后通过线性拟合发现,最优参数下的Al/ZnO/p~+-Si阻变存储器的高、低阻态分别由蒲尔-弗朗克(Poole-Frenkel,P-F)效应电流和空间电荷限制电流(space charge limited current,SCLC)主导。接着将氧空位浓度因子分别引入两种导电模型,得到与实验数据吻合的电流-电压(I-V)特性曲线。模拟结果说明Al/ZnO/p~+-Si阻变存储器的电阻转变由氧空位浓度决定,并且氧空位通过对电子的捕获和发射实现了对导电机理的主导。最后,利用渗透理论得到了氧空位浓度与电导的关系,并考虑了导电细丝的尖端效应,用统一的模型(渗透模型)实现了对Al/ZnO/p~+-Si阻变存储器I-V特性曲线的模拟。渗透模型不仅给出了导电细丝的生长过程、阻变功能层厚度以及导电细丝直径对阻变特性的影响,还揭示了ZnO阻变存储器基层运转机制:电压决定氧空位分布进而决定电流。

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