基于飞秒激光表面处理和离子注入辅助的TiO2-金属微纳连接机制及其对阻变行为影响机理的研究

Resistive random access memory consists of metal-semiconductor-metal structure. The metal-semiconductor interface affected the resistive switching behavior directly. In the project, femtosecond laser treatment and ion implantation based nano-joining technology was proposed. By changing the surface structure and oxygen vacancies of the semiconductor, the interfacial structure of metal-semiconductor joining interface was improved. The interaction between femtosecond laser and semiconductor, ion implantation and semiconductor, bonding mechanism, the microstructure of the diffusion layer were investigated. The oxygen vacancies generation mechanism due to the femtosecond treatment and ion implantation, the effect of interfacial structure on the metal-semiconductor interface barriers, the diffusion behavior of metal ion and oxygen vacancies were explained. The effect of bonding mechanism on the resistive switching behavior was elucidated. At the same time, the effect of the high cycle test voltage and the test velocity on the interfacial structure was also investigated. The test result will promote the development of the semiconductor industry.

阻变存储器具有金属-半导体-金属三层结构，金属-半导体的界面连接行为直接影响其阻变行为和性能。本项目以氧化物半导体为研究对象，提出基于飞秒激光表面处理和离子注入辅助的微纳连接新技术，通过改变半导体表层部分的组织结构、成分和缺陷状态来调控金属电极-半导体微纳连接界面的微观组织。探索激光处理和离子注入与半导体表面的作用机理、半导体与金属电极的微纳连接机制以及界面化学反应扩散过程、连接物理冶金过程、扩散层的微观组织结构和化学形态。阐明飞秒激光处理和离子注入后半导体内部氧空位的产生机理、界面反应层对半导体-金属界面势垒的影响机理。揭示金属离子和氧空位在电场作用下的扩散热力学和动力学问题、半导体-金属微纳连接界面对阻变行为的影响机理。同时研究高周次阻变性能测试过程中扫描电压、扫描速率对阻变性能及其界面结构的反作用累积影响规律。研究成果将丰富阻变存储器的界面连接理论，促进半导体存储制造技术的发展。

半导体与金属的界面微纳结构是阻变存储器性能的重要影响因素，本项目以二元金属氧化物半导体与金属的连接界面为研究对象，通过研究氧化物半导体薄膜的制备工艺、薄膜的微观组织结构及其对半导体与金属连接界面的影响规律，分析了阻变存储器的物理机制，从微纳连接的角度提出了阻变存储器的制造思路。.采用溶胶-凝胶法在FTO玻璃表面制备了TiO2、ZnO和CeO2半导体薄膜，对二元金属氧化薄膜的组成和微观结构进行了表征。通过飞秒激光对金属氧化物薄膜进行了表面处理，分析了激光处理后半导体薄膜微观结构，特别是氧空位的浓度变化。在半导体薄膜表面制备金属电极构造了阻变存储器的物理模型。.通过掺杂的方法制备了金属氧化物/金属离子复合薄膜，研究发现通过掺杂可以实现存储器件在高电压区域产生负微分电阻效应，这可以有效解决器件在小型化方面电流串扰的难题。薄膜中缺陷浓度改变了半导体与金属连接界面的势垒高度是导致器件出现负微分电阻的根本原因。.通过界面工程调控阻变层的氧空位浓度，研究了氧空位浓度对阻变器件性能的影响。研究发现具有高氧空位浓度的种子层可以有效提高阻变器件的开关比并降低器件的操作电压，合理的设计半导体与金属的连接界面可以提高阻变器件的循环稳定性。.研究了阻变层尺度对半导体与金属微纳连接界面结构的影响规律以及对阻变过程的影响机制，当薄膜厚度增加时，薄膜中的氧空位迁移量增大，容易导致氧离子在半导体与金属微纳连接界面处堆积并与顶电极发生化学反应生成非晶态的界面氧化物，该层界面氧化物的状态将会影响顶电极处界面势垒的变化以及氧空位导电细丝的形成能力，从而导致阻变器件的阻变行为也会发生质的变化。 .通过制备二元金属氧化物纳米片和纳米棒作为阻变层，研究了阻变层微纳结构对阻变过程的影响。研究发现纳米片和纳米棒可以影响电子的传输途径，进而影响器件的阻变行为。采用所制备的阻变器件能实现脉冲时间依赖可塑性等类生物突触的功能，为神经形态计算硬件化提供新的思路。