氧化铌选通管的选通机理与选通比优化研究

Due to the excellent non-line current property, selector was considered as the best choice to avoid sneak paths current in integration of new Memory devices. Recently, as a metal insulator transition (MIT) selector, the device based on NbOx was paid attention because of its excellent stability and endurance. However, the selectivity of the device was limited. Furthermore, the MIT and property controlling mechanism was still not clear. These issues limited its application. Our proposal focuses on the selector based on NbO2 to study the mechanism and improve the selectivity of the device. First, the property of doped NbO2 films and selectivity are studied to figure out the influence of MIT mechanism. Then, the supercritical fluid (SCF) processing technology are introduced to control the status of defect in the device, which helps to study the mechanism of selectivity controlling by comparing the distribution of multi-physics field in the device. Finally, the tunnelling assisted layers are fabricated to increase the selectivity of the device by controlling the defect in the interface and the potential barrier. Based on these methods, the selector with large selectivity will be fabricated. This project will make an approach for the application of NbO2 selector in the field of new memory devices.

选通管具有优异的非线性电流传输特性，成为抑制新型存储器大规模集成时交叉串扰的首选。近年来，基于金属-绝缘体转换效应的氧化铌选通管由于温度稳定性好、耐久性好等优势受到了业界的关注。然而，氧化铌选通管的选通比低、金属-绝缘体转换机理不清晰、器件性能调控机制不明确，成为其进一步发展和应用的瓶颈。针对上述问题，本项目围绕氧化铌选通管开展理论分析和器件选通比优化研究。首先，研究掺杂对氧化铌薄膜和器件选通比的影响规律，探索掺杂对金属-绝缘体转换机理的影响；其次，利用超临界流体处理方法调控缺陷状态，并结合多物理场仿真阐明缺陷对器件选通比的影响机制；最后，通过增加隧穿辅助层调控器件界面缺陷和势垒状态，提高选通比，并结合掺杂和缺陷调控制备具有大选通比的氧化铌选通管。本项目将为氧化铌选通管在新型存储器领域的应用奠定基础。

为了解决新型存储器件高密度集成的串扰问题，业界提出了具有非线性电流传输特性的新型器件—选通管。在众多选通管类型中，基于NbO2的金属-绝缘体转变（MIT）型选通管因耐久性好、开态电流密度大、相变温度适中等优势备受关注，但选通比低、阈值转变机理不清晰等问题严重限制了其产业化应用。本项目针对上述问题，结合掺杂、超临界流体处理和有限元仿真等方法，开展MIT机理和器件选通比优化研究。.探索掺杂对器件选通比的影响。利用Ti掺杂提高了器件的开态电流，增强了器件的耐过冲能力；利用Al掺杂降低了器件的关态电流，优化了器件的电压一致性和耐久性，相关性能与材料电子关联作用的增强具有直接关联。.探究超临界流体处理对器件选通比的影响。利用超临界流体处理技术修复薄膜中的氧缺陷，减少了电子跃迁路径，使器件的关态电流下降，选通比提高，抑制了器件的漏电流。该技术为无损修复器件内部的体/界面缺陷提供了新的思路。.研究势垒对器件选通比的影响。通过插入氧化锆隧穿层调整器件势垒结构，优化了器件的电压一致性，提高了器件选通比，验证了势垒对优化器件性能的重要作用；开展掺杂和势垒协同优化，使器件选通比达到10^3，耐久性达到10^8，且一致性优于3%，综合性能达到世界先进水平；通过构器件仿真模型，进一步验证了势垒对器件性能的调控作用，阐明器件选通比的优化机制。.在上述研究的基础上，围绕氧化铌选通管的抗串扰性能开展集成研究，大幅度提高了RRAM阵列的集成规模，为RRAM的产业化推进提供了实验依据。此外，探索了简化1S1R器件结构的原理和途径。.综上所述，本项目阐明了MIT机理和器件阈值转变机制，极大地提高了器件的选通比，达到了项目预期目标，也为氧化铌阈值器件在人工神经元中的应用奠定了基础。