钙钛矿氧化物薄膜的阻变机制及室温低场阻变式存储器研究

阻变式存储器由于具有低操作电压、低功耗、高写入速度、耐擦写、非破坏性读取、保持时间长、结构简单、与传统CMOS工艺相兼容等优点被认为是一类具有前瞻性的下一代非挥发性存储器。然而，至今尚未明确的电阻开关机理严重制约了其进一步的研发和应用。本项目采用激光分子束外延、脉冲激光沉积等薄膜技术生长并构造基于钙钛矿氧化物薄膜的叠层结构半导体器件，利用特色的测试平台即I-V测试、电化学阻抗谱、原子力显微术、铁电测试等手段在室温、低场激励下详细研究以钙钛矿氧化物为功能层材料的单/双层结构器件的阻变和存储特性，通过对多种钙钛矿结构氧化物材料进行系统和配套研究，确定合适的、存储性能优良的电致阻变材料及器件结构，获得具有稳定的室温低场电阻开关特性的阻变式存储器，并从理论和实验上综合考虑材料能带结构、电磁输运、电子强关联作用等多种物理因素来深刻揭示阻变机理，为阻变式存储器的进一步研发和应用提供材料和基础。

钙钛矿氧化物薄膜的阻变机制与阻变器件研究是近年来信息科学领域里的热点课题之一。本项目利用脉冲激光沉积(PLD)技术制备了SrTiO3、La0.67Ca0.33MnO3、Pr0.67Sr0.33MnO3等几种重要的钙钛矿氧化物薄膜，并采用溅射方法制作三明治或肖特基器件如Au/SrTiO3/Pt、Au/SrTiO3/Ti、Au/La0.67Ca0.33MnO3/SrTiO3/F:SnO2、In/Nb:SrTiO3，利用I-V方法和电化学阻抗谱技术研究样品的阻变行为和存储特性，并揭示钙钛矿材料电致电阻变换的物理机制，并通过对几种钙钛矿结构氧化物材料进行系统研究，确定了存储性能优良的阻变材料及器件结构，获得了具有稳定的室温低场电阻开关特性的阻变式存储器。还研究了Cu:ZnO薄膜的电致阻变行为。.在Au/SrTiO3/Pt中发现了共存的双极和单极电阻开关，基于I-V 分析，双极性和单极性开关机制被分别确定为类体相的空间电荷限制导电和导电丝的形成与中断机制，并且发现双极性与单极性模式之间的转换是可逆的。与双极性电阻开关比，单极性阻变在低电阻态有很大的电阻开关比(>103)和线性的 I-V关系，采用单极性电阻开关材料 SrTiO3薄膜组成忆阻器，成功执行了实质蕴含(IMP)运算。.具有不同金属-半导体接触的In/Nb:SrTiO3电阻开关行为研究表明，具有一个肖特基势垒的器件表现出一个正常的双极性电阻开关行为，而具有两个肖特基势垒的器件则显示出一个反常的双极性行为。分析发现，载流子在金属电极-半导体界面附近的注入和捕获与退捕获是和器件的电阻开关行为密切相关的。.利用电化学工作站研究了Au/La0.67Ca0.33MnO3/SrTiO3/F:SnO2体系的电脉冲诱导的电阻开关行为，利用 AC 阻抗测量技术揭示了与界面相关的电阻开关特性，观察到 Faradic电荷转移行为，得到高达13000%的高阻与低阻比。这个大的电阻变化被归因于Au-La0.67Ca0.33MnO3界面处局域电化学反应引起的电荷与质量转移。Au/ZnO/FTO和Au/ZnO:Cu/FTO两种三明治结构在室温电场作用下均显示出双极可逆阻变特性；Cu掺杂使ZnO 薄膜的开关比大幅增加，I–V曲线拟合结果显示是由 Schottky结界面机制产生的高低阻态引起的。