低功耗三维氧空位离子晶体管的制作与开关机制研究

With the trend of the miniaturization of electronic devices and low power consumption, nanoionic devices are promising candidates in developing next generation computing systems. The three-terminal nano ion transistor is one of the most promising storage and logic devices for the next generation. Without external selective device, three-terminal ion transistor, due to its simple structure, is one of the most promising storage and logic devices for the next generation. But the reported two kinds of mechanism ion transistors, due to the limitation of device principle and performance, can't meet the requirements of application. Here, we will study the influence of electric field distribution and the switching mechanism on the oxygen vacancy ion transistor based on the 3D prototype reported by us. By optimizing the fabrication technology of the 3D slide wall, to get the quantitative ratio of the spacing between the S and D and the thickness of resistance layer, and to optimize the microstructure of switching layer and gate electrode material. Study the influence of oxygen vacancy effective migration to control the conductive state between the S and the D. And effectively reduce the transistor switching voltage. We believe this study it is important for the further study of the ion base transistor, and the application of ion transistors.

伴随着电子设备的小型化与低功耗趋势，基于离子迁移形成导电通道的纳米离子器件有望构建新一代计算系统。其中不需要外接选择器件的三端离子晶体管，由于其结构简单，是具有应用前景的新一代非挥发性存储与逻辑运算基础元件。已报道的两种机理离子晶体管，由于器件本身原理所限和性能上的缺陷，不能满足应用的要求。本项目以申请人近期报道的一种基于氧空位迁移的三维离子晶体管原型为基础，研究阻变层中电场分布对调控晶体管开关状态的影响机制。通过优化源漏电极间距与阻变层厚度比例、优化阻变层微结构与栅电极材料，实现对电场分布的调节，分析影响氧空位有效迁移的机制，从而有效降低晶体管的开关电压。项目的实施对进一步推动离子基晶体管的研究，实现离子晶体管的应用将具有科学研究意义。

伴随着电子设备的小型化与低功耗趋势，基于离子迁移形成导电通道的纳米离子器件有望构建新一代计算系统。其中不需要外接选择器件的三端离子晶体管，由于其结构简单，是具有应用前景的新一代非挥发性存储与逻辑运算基础元件。已报道的两种机理离子晶体管，由于器件本 身原理所限和性能上的缺陷，不能满足应用的要求。本项目以申请人近期报道的一种基于氧空位迁移的三维离子晶体管原型为基础，分析导致三维离子晶体管运行电压高的原因可能是三维立体电极制备刻蚀工艺导致的立体源漏电极界面二氧化硅污染，对此我们通过优化刻蚀工艺，选用物理与化学刻蚀相结合的方式代替纯物理刻蚀，有限减小了立体源漏电极界面的二氧化硅污染。在用优化刻蚀工艺制作的晶体管中，当栅电极为Ag时，获得了优异的器件晶体管运行曲线，具体包括运行电压大幅减小，保持了很高的源漏开关比、极小的栅极漏电流等。通过器件截面TEM分析可知，采用物理与化学刻蚀相结合的方式立体源漏电极界面污染明显减少。进一步我们采用优化的立体电极结构，制备以氧化钽为阻变层，栅电极分别为钽、钨等的以氧空位运行控制源漏导通状态的离子晶体管，通过优化氧化钽反应溅射条件，我们在栅电极为Ti/Ta组合下，获得了运行电压约为4V的氧空位运行非易失性离子晶体管，并对器件的运行机制进行了分析。项目所取得的成果，对进一步推动离子基晶体管的研究，实现离子晶体管的应用将具有科学研究意义。