阻变存储器工作机理的原位透射电镜研究

阻变存储器（RRAM）是下一代非挥发性存储器的一个重要的研究方向。这类存储器具有操作电压低、功耗低，写入速度快、耐擦写、非破坏性读取、保存时间长、结构简单、与传统ＣＭＯＳ工艺兼容等优点。但目前对阻变存储器的电阻转变机理的认识还存在很大的分歧，直接制约了它的研发与应用。电阻的转变往往涉及材料相变、离子输运、氧化还原反应等微观过程，而透射电子显微镜是对这些问题的一种最直接的实验手段。本项目拟选择几种典型的阻变存储材料，使用透射电镜原位测量技术，在透射电镜中构筑阻变存储器原型器件，并在透射电镜中原位、实时、在原子分辨尺度观察器件开断的动态工作过程，深入研究此类存储器件的电阻转变的微观机制；探索此类存储器失效过程、失效机制。本项目将有望在阻变存储器电阻转变机制的研究上取得若干重要的原创性成果，这将为此类器件的研发提供理论指导。

本项目针对阳离子型阻变存储器的前沿热点问题，采用透射电镜的原位电学测量技术，对阳离子型阻变存储器的工作机制进行了较深入的研究。利用实验室自主搭建的微区测量平台，在透射电镜中形成阳离子型阻变存储器的导电通道，原位测量其电阻开关性质。通过设计阻变存储器的器件结构，在原子尺度原位成像导电通道的形成过程，对其动力学过程进行了细致的研究，研究发现导电通道是由活性电极发生电化学传质而逐渐生长的，揭示了导电通道形成的电化学本质。进而针对导电通道的可控性形成以及导电通道不稳定性引起的器件失效机制等进行了研究。.1.“导电丝”模型（Electrochemical Metallization, ECM)是目前解释ECM存储器最成功的模型，已经被科研人员广泛接受。我们的研究工作也是围绕揭示导电丝模型的动力学过程而展开。我们的实验以Ag/SiO2/p-Si体系为代表，实现了对ECM存储器工作机理原位观察。实验最终形成的导电丝仍然是由离散状的Ag团簇组成的，电子在这种金属颗粒-绝缘体网络中的电导遵循逾渗模型。由于团簇与团簇之间有一个纳米级别的间隙，因而整体的导电丝导电模型将是“percolation-tunneling model（逾渗隧穿模型）”。继而，我们对这种模型给出了从电化学与纳米电子学的角度给出了理论支持。.2.ECM器件在经过一段时间的操作后就会失效，但是它的失效机制一直没有有力的证据来证实。我们在经过正常的forming过程后，如果对它施加正向电压，导电通道会继续生长，导致构成导电通道的金属颗粒数量与尺寸都大大增加，最终它会突然融化变成一个棒状连续金属通道。持续施加反向电压，或增大反向电压，都不能使这个棒状通道断开。因此，这个ECM器件就失效了。