基于可控硅纳米晶的光控阻变存储器调控机制研究

Resistive random access memory has the promising for the next-generation nonvolatile memories, owing to its superior resistive switching characteristics, low power dissipation and achievable high density memory. However, the bottleneck has constrained the proceeding development of memory, including low data reading efficiency, increasing miniaturization of devices and security of information processing. Photo-controlled resistive switching memory can regulate the resistance states simultaneously by light and electric field, which could solve the above problems. The Si ions will be injected into SiO2/Si structures by ion implantation technique. A controlled layer of Si nanocrystals (NCs) may self-organize to form thanks to the optimized design of experimental scheme. This work will investigate systematically that the photo-controlled resistive switching memory manages the resistance states under the light and electric field. The motion distribution of the Si NCs will be in situ monitored by means of high resolution transmission electron microscopy (TEM). And the work will study the relationship between the change of resistance states and the distribution of Si NCs. The purpose of this project is to reveal the physical regulations and mechanism of photo-controlled resistance switching memory based on the controllable Si NCs. The successful implementation of this project will not only fill the gap to prepare of photo-controlled resistive switching memory in the application of ion implantation technique, but will also establish the theoretical and technical basis for the controllable resistive switching via optical signal and the realization of multifunction memory.

阻变存储器因具有快速的阻变特性、低功耗、且容易实现高集成度等优点而有望成为人们正在寻找的下一代非易失性存储器。然而目前低读取效率、器件尺寸日益小型化以及信息读取安全性等带来的技术瓶颈问题，已经严重地制约了存储器的继续向前发展。光控阻变存储器是通过光照和电场同时调控阻态变化，理论上可解决上述问题。本项目拟采用离子注入法，将硅离子注入SiO2/Si结构，经优化设计实验方案，自组织形成可控生长的硅纳米晶。系统研究光控阻变存储器受光照和电场调控阻态变化的情况，并借助高分辨透射电子显微镜原位观察手段，监测纳米晶的运动分布状态，研究存储器阻态变化与硅纳米晶运动分布情况之间的关系。本项目旨在揭示基于可控硅纳米晶的光控阻变存储器阻态变化的物理规律和机制，该项目的成功实施不仅能填补将离子注入技术应用于制备光控阻变存储器的空白，而且将为通过光信号调控存储器阻态变化、实现多功能存储器奠定理论和技术基础。

寻找下一代具有非易失性、高读写速度、低功耗、高密度的存储器，取代当前的闪存技术，一直是半导体电子行业的热点。在众多记忆元件中，基于最简易的双终端电转换的阻变存储器（RRAM）因具有快速的阻变特性、低功耗，且可通过三维堆垛实现高集成度等优点而备受青睐。然而目前低读取效率、器件尺寸日益小型化以及信息读取安全性等带来的技术瓶颈问题，已经严重地制约了存储器的继续向前发展。在传统阻变存储器上通过外加电场来调控阻态变化的过程中，增加光照作为另一个控制参数，实现光照和电场同时调控阻态变化，实行数据的平行读取操作，有效操纵电路元件之间的响应而免受外界干扰。通过外加电场调控硅纳米晶形成导电细丝，可以实现阻态变换。此外硅纳米晶受量子限域效应的影响，可以通过光照产生光生载流子。研究发现硅纳米晶不仅可以通过电场，而且还可以通过光照来调控器件的阻态变换。然而，大多数基于氧化硅层中的硅纳米晶阻变开关存储器仍存在一个问题：氧化硅中硅纳米晶的分布，大小和间距难以控制，导致器件性能下降。我们通过离子注入技术，制备基于硅纳米晶、具有Au/Si纳米晶@SiO2/Si器件结构的且受光照影响的阻变存储器（RRAM）。通过将硅离子注入到SiO2/Si衬底中，然后进行热退火工艺，自组装合成硅纳米晶。Au/Si纳米晶@SiO2/n-Si器件的阻态变换可以通过电场和光照来调控，其阻态也可以通过光致发光光谱来区别和辨认。我们认为各种SiOx（x≤2）纳米混合物可以通过更具导电性的氧空位所桥接，同时结合硅纳米晶形成了连续的导电通路。此外，合成的硅纳米晶和来自衬底的电子在形成导电丝的过程中起着关键作用。因此，基于离子注入法合成的硅纳米晶的光影响阻变开关存储器为将来将光和电场集成到集成电路中提供了可能性。