基于氧化石墨烯的平面电阻式存储器及其量子电导效应研究

This project faces the next generation non-volatile memory application development and mechanisms investigation. We will focus on the physical and electronical characterization of graphene oxide based lateral resistive switching memory devices. This project will employ the lateral memory cell and graphene oxide as resistive switching functional materials. By designing the structure and materials selection, the distinct mechanism, controllable and stable resistance switching characteristics will be obtained. The carriers transport behaviors under statically resistance switching from ON/OFF states of the lateral graphene oxide base RRAM will be expounded through this project. Further, this project will investigate the conductance quantization effect within the nano-scale filaments of the RRAM devices, and scanning tunneling microscope (STM) and atomic force microscopy (AFM）will be used to characterize the deeply microcosmic mechanisms in various test environment. the conductance quantization theory will be induced to multilevel memory per cell for high density memory application, and offer technical solutions of high performance RRAM devices.

本项目面向下一代先进非挥发存储技术的应用开发与机理探索，开展基于氧化石墨烯的平面电阻式存储器件(RRAM) 的物理机理与器件性能研究。 借以引入平面器件结构, 以氧化石墨烯为关键阻变功能材料，通过对器件物理机构的设计和材料的遴选，获得具有物理机理清楚可控和良好阻变存储特性的碳基平面RRAM 器件。 实现石墨烯氧化物平面电阻式存储并探索其高低阻转换机理，理解各阻态静态下载流子输运行为。 通过对RRAM 器件内部纳米尺度导电熔丝的量子化电导效应的研究，利用扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）技术的支持，设计测试环境,在纳米尺度下研究RRAM 器件中导电熔丝的特征。 将量子电导效应从理论层面应用到先进集成电路的多值高密度存储器件领域, 为高性能RRAM 存储器提供技术路线。

本项目从氧化石墨烯阻变存储器着手，从理论计算建模和实验上研究其阻变机理，开展了一系列的研究工作。主要研究内容如下：.[1]..通过室温下旋涂氧化石墨烯（GO）的方法，在柔性衬底上成功制备了Al/GO/ITO/PET结构柔性阻变存储器（RRAM）。对于GO薄膜进行了拉曼光谱、X射线光电子能谱、原子力显微镜和扫描电子显微镜薄膜表征。使用安捷伦B1500A电学测试平台对于整个RRAM器件性能进行电学表征。研究表明，Al/GO/ITO/PET柔性RRAM，低阻值为774欧姆、高阻值为224千欧姆，高低阻值之比约为280，擦写100次以上没有明显性能退化，高低阻数据保持时间大于104秒。不同脉宽时间的脉冲电压擦写研究发现，RESET速度100 ns快于SET速度 100 。结果与传统金属氧化物材料相反。RESET和SET的速度差异可以用电子注入和拉离影响氧原子迁移势垒来解释。.[2]..使用基于非平衡格林函数和密度泛函方法的模拟软件（ATK）在原子级别下对GO RRAM进行建模，计算了三种氧原子分布方式下（完全氧化，形成氧空位细丝和细丝断裂）的I-V曲线输运特性。当形成氧空位细丝时，电流明显增大，然而氧空位细丝断裂时，又回到与完全氧化状态相同的小电流状态。理论上证明了GO RRAM对于氧空位高度敏感，氧空位细丝理论可以用来介绍GO RRAM的阻变过程。隧穿原子力显微镜（Tunneling-AFM）表征以及进一步研究GO 内在阻变规律。隧穿原子力显微镜观察到了pA级别小电流的GO薄膜本征阻变，并研究了阻变区域大小与约束电流的关系。通过数学建模（MATLAB），将阻变功能层的等效为微型电阻开关网络，计算电压分布并对于每个微型电阻开关进行SET和RESET过程，可以观察到猜想的细丝扩大过程和断裂过程。模型计算得到的阻变特性曲线和实验结果几乎一致。验证了微型电阻开关模型的正确性。