稀土掺杂锰、锌化合物电致阻变多层异质薄膜的制备、性能、掺杂机理和阻变机制研究

A new structure multilayer thin films for resistance random access memory （RRAM）application is selected to be researched. In order to deal with some key problems such as failing to meet the high resistance ratio, long holding time and anti-fatigue at the same time now, we propose rear earth doped perovskite manganese oxide (RAMO) with a high anti-fatigue and resistive switching characteristics and doped zinc oxide (ZMO) with a long holding time as resistive switching materials. The multilayer RAMO/ZMO/RAMO structure resistive switching thin films are prepared by Sol-Gel method. In terms of experiment, the influence of the material ingredient, component structure, the relationship between substrate and electrode, surface morphology, interface feature, stress, annealing temperature and atmosphere on the micro-structure and performance of multilayer thin films are systematically studied. In terms of theory, the influence of dopant ions, oxygen vacancy, interface charge and stress on resistive switching effect and performance in multilayer thin films are investigated and the corresponding micro-mechanism is established by first principles and Monte Carlo simulation. Through the study of this project, we strive to improve the on/off resistance ratio, maintenance and anti-fatigue character of multi-layer thin film resistive switching, and to provide meaningful theory and technology reference for the research and application of a new type of material application for RRAM and for the utilization and development of the rich resources such as Mn、Zn in Guangxi.

以应用于阻变存储器的一种新结构阻变多层异质薄膜为研究对象，针对目前单一电致阻变薄膜不能同时满足高阻态比、长保持和抗疲劳等关键性问题，选用具有良好抗疲劳特性和较好阻变特性的稀土掺杂钙钛矿锰氧化物(RAMO)材料和具有高阻态比及良好保持特性的掺杂氧化锌(ZMO)材料，采用溶胶-凝胶工艺，设计制备RAMO/ZMO/RAMO结构多层阻变异质薄膜。实验上系统研究材料的成分、组元结构及与衬底和电极的外延关系、形貌、界面特性、应力及热处理温度、气氛等工艺参数对薄膜微结构和性能的影响；理论上运用第一性原理和蒙特卡罗模拟方法，分析和预测掺杂离子、氧空位及界面电荷、应力等因素对薄膜阻变效应和性能的影响，建立相应的微观物理机制。通过本项目的研究，全面提高多层薄膜的高/低阻态比、高/低阻态保持能力和抗疲劳特性，为新型阻变存储器材料及器件应用研究和Mn、Zn等广西富有资源的利用与开发提供有有意义的理论和工艺参考。

非挥发性存储器是信息存储与读取的关键器件和影响信息技术发展的重要制约因素，本项目针对新型非挥发性阻变存储器(RRAM) 难以同时实现高可靠、长保持和无疲劳的信息存储与读取等问题，采用Re1-xAxMnO3（Re：稀土金属元素，A：碱土金属元素）材料、ZnMn2O4及其掺杂材料、Zn1-xMxO（M：Mn、Mg等元素）材料，采用溶胶-凝胶和磁控溅射工艺，制备了基于上述材料组合，不同衬底、不同电极及其组合的多层阻变异质结构薄膜器件，研究了制备工艺方法及条件、掺杂等薄膜结构、性能等的影响，研究了不同衬底电极及其异质结钩对器件I-V特性、开/关电阻比、疲劳特性、保持特性等的影响规律，探索了相关阻变机制，全面提高了多层异质结构RRAM的高/低阻态比、阻态保持和抗疲劳能力。其中：Ag/Mg0.2Zn0.8O/ZnMn2O4/p-Si异质结器件的综合性能最好，其RHRS/RLRS达10^4，无疲劳开关循环次数>10^3，无衰减阻态保持时间超过10^6s；Ag/Mg0.2Zn0.8O/La0.67Ca0.33MnO3/p-Si器件的RHRS/RLRS最高，达到10^6，并呈现多级双极型阻变特性；Ag/ZnMn2O4/p-Si呈现出明显的双极型阻变特性，且具有良好的抗疲劳特性和阻态保持特性，而Ag/ZnMn2O4/n-Si器件则既可呈现双极型阻变特性，也可呈现单极型阻变特性，且RHRS/RLRS较高，但其疲劳特性及保持特性较差；器件上、下电极对器件的阻变类型和特性均有明显影响；不同结构器件的导电及阻变机制存在差别。本项目的研究可为与Si集成电路工艺兼容的新型RRAM材料和器件应用研究提供有意义的实验和工艺参考，为Mn、Zn资源利用与开发提供新的途径。