忆阻器材料精细结构和存储特性研究

理论上预言，除了电阻、电容、电感以外，可能存在具有记忆功能的第四种基本电路元件-忆阻器。基于某些过渡金属氧化物薄膜中的电脉冲诱发可逆电阻（EPIR）开关效应的存储器件与所预言的忆阻器具有相同特性，目前其器件的材料物理特性以及电阻存储根源尚待探明。本项目拟主要采用基于同步辐射的EXAFS、XANES、XRF和其它手段，研究EPIR-RRAM（电阻式随机存储器）器件薄膜微区成分变化、界面势垒差异、氧浓度梯度变化等对RRAM电阻行为的影响。保持器件电极结构，原位分析器件单元界面微区原子配位结构、晶格结构、化学结构等与电阻转换的关系；借助同步辐射的微区线束技术，从原子水平获得电场作用下界面附近离子迁移及所伴随的微观结构改变，探明材料物理特性和电阻存储能力的关系。在此基础上，研制具有超晶格等新型结构的EPIR-RRAM器件，为促进EPIR-RRAM器件速度更快、密度更高、功耗更低等提供指导。

阻变存储器（RRAM）以其结构简单、读/写速度快、存储密度高、功耗低、无串扰等独特的优点，已经成为物理学和材料学研究的热点。RRAM是一种全新的存储技术，目前对氧化物基薄膜中的电脉冲诱发可逆电阻转变（EPIR）效应的物理机制一直没有统一的认识。本项目研究中，我们在系列电阻存储薄膜中进行了以下几个方面的创新性研究。. 首先，我们制备了ZnO及N、In掺杂ZnO电阻存储薄膜器件，基于同步辐射EXAFS和其它手段，详细研究了器件中薄膜微区成分变化、界面势垒差异等对RRAM电阻行为的影响。其二，我们设计并制备了Pt/TiO2/TiO2-x/Pt结构氧化物梯度膜，研究了薄膜中氧离子浓度梯度变化的EPIR-RRAM器件中氧迁移行为、电阻转变及保持行为的相关性，发现控制初始氧空位的含量是增强单极电阻开关性能的有效手段。其三，针对TiO2基存储薄膜，原位分析了存储薄膜器件单元界面微区原子配位结构、晶格结构、化学结构等与电阻转换的关系,从原子水平获得电场作用下界面附近离子迁移及所伴随的微观结构改变，探明材料物理特性和电阻存储能力的关系。在此基础上，研制了具有超晶格等新型结构的EPIR-RRAM器件。最后，针对V2O5或Sb35Te65等层状结构存储薄膜，本项研究工作中发明设计了一种以插层结构形成不同介电特性的电阻存储单元电流控制层。通过分子插层技术在层状电阻存储材料的分子层之间插入聚苯胺（PANI）等有机分子复合物层，用以提高低阻态的电阻值，降低电阻存储器复位电流，从而达到降低RRAM存储单元的读写功耗的目的。同时，它在存储薄膜内形成多层阵列堆叠，有利于实现三维存储结构设计，为促进EPIR-RRAM器件速度更快、密度更高、功耗更低等提供指导。在本基金项目执行中，共发表SIC索引文章6篇，申请专利4项，较好完成了研究任务。