氧化物基电阻存储器电阻开关特性的离子掺杂调控研究

电阻式非挥发存储器（RRAM）是新一代非挥发存储器的主要候选技术之一。RRAM目前面临的主要问题是RRAM器件电阻开关的稳定性和可靠性不理想，难以满足器件应用的需求，同时对RRAM电阻开关特性的物理机制缺乏深刻的理解。本项目在已有的研究基础上，以提高氧化物基RRAM的电阻开关性能为目标，利用理论计算和实验验证相结合的手段，研究探索利用离子掺杂的方法改善和提高氧化物基RRAM电阻开关性能的技术途径。将利用第一性原理计算的方法从理论上分析氧化物中离子的掺杂效应以及各种离子掺杂对氧空位行为的影响。基于理论计算结果，在实验上研究金属离子掺杂对氧化物基RRAM电阻开关性能的影响及规律，探索改善和提高氧化物基RRAM电阻开关性能的合适掺杂技术和方法。同时深入研究掺杂氧化物薄膜电阻开关和输运特性的物理机制，建立具有一定普适性的掺杂氧化物基RRAM电阻开关和输运的物理模型。

电阻式非挥发性随机存储器件（RRAM）具有结构简单、工作速度快、存储密度高、与CMOS工艺兼容性好等诸多优点，是新一代非挥发存储器的主要候选技术之一。RRAM器件应用面临的主要挑战和瓶颈问题是对影响和决定RRAM器件阻变行为的物理机制尚未形成统一认识；RRAM器件的阻变稳定性和可靠性能不稳定，缺乏有效控制和评测RRAM阻变性能的技术方法。课题组针对RRAM技术应用所面临的关键问题，重点在氧化物RRAM器件的阻变机制与模型、利用掺杂提高RRAM器件性能技术和氧化物RRAM特性评测技术三个方面开展研究，取得了创新的研究成果。通过系统研究典型单极型和双极型氧化物RRAM器件的阻变开关特性，建立了一种可统一描述和解释氧化物RRAM的单极和双极型阻变开关特性的物理模型；利用第一性原理计算和实验验证相结合，提出了一种利用离子掺杂的方法改善和提高氧化物RRAM双极器件阻变开关特性的技术方法；在氧化物RRAM阻变开关机制的研究基础上，建立了一种评价氧化物RRAM双极阻变可靠特性失效的物理模型，提出了一种有效提高氧化物RRAM器件可重复擦写次数的技术方法。课题组在Applied Physics Letters（APL）、IEEE Electron Device Letters（EDL）、 International Electron Devices Meeting （IEDM）等权威国际期刊和会议上发表论文12篇，申请国家发明专利3项。