【摘要】：當(dāng)前,為了滿足非易失性存儲器件小型化的要求,各種各樣新型的非易失性存儲器得到了廣泛的研究,包括阻變存儲器、電荷存儲器、相變存儲器、鐵電存儲器等,其中阻變存儲器件和電荷存儲器件有希望應(yīng)用在大容量非易失性存儲器件中而受到人們廣泛關(guān)注。近年來,光控存儲器件將光引入到存儲器件中從而極大地豐富存儲器件的應(yīng)用場景。一方面,光控阻變器件因其獨特的電阻轉(zhuǎn)變方式受到研究人員的廣泛關(guān)注。例如,光控阻變器件的電阻受到光和電共同控制,器件可以用于光信號的探測和存儲,還可以根據(jù)光控器件對單一波長響應(yīng)的特性實現(xiàn)安全信息的存儲。另一方面,光照同樣可以控制電荷存儲器件的存儲特性,例如光電共同控制的電荷存儲,有希望在光學(xué)觸控板技術(shù)上得到應(yīng)用,為電荷存儲器件的多功能應(yīng)用提供可能。本論文主要以光控阻變器件為研究對象,首先參考生物視網(wǎng)膜的基本結(jié)構(gòu),制備了仿視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的光控阻變器件,通過改變光照和施加的電壓狀態(tài),研究了光控阻變器件的開關(guān)特性,以及其在光電突觸可塑性模擬和光控蘊涵邏輯運算中的應(yīng)用。此外我們還研究了光照對CuOx納米晶電荷存儲器件存儲性能的影響。本論文內(nèi)容包括以下幾個方面:1.依據(jù)視網(wǎng)膜的基本結(jié)構(gòu),我們選擇p-Si作為光感受器,Hf02層作為突觸層,Pt作為神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的膜層,利用原子層沉積、磁控濺射、無掩摸紫外光刻、聚焦離子束刻蝕等材料生長和加工技術(shù)制備了仿視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的光控阻變器件單元。2.研究了此類光電器件的光控阻變特性,器件只有在光照和正向掃描電壓下才可以打開,在負(fù)向掃描電壓下關(guān)斷,表現(xiàn)出光控雙極型阻變行為。對電容-電壓曲線分析表明光控阻變來源于光照對Si表面耗盡區(qū)電子狀態(tài)的改變,從而使得外加電壓在氧化物層和半導(dǎo)體層的分壓發(fā)生重新分配。器件在光照下關(guān)態(tài)的電流-電壓曲線符合Poole-Frenkel導(dǎo)電機(jī)制,當(dāng)器件打開之后,氧化物層中的氧空位重新分布,導(dǎo)電機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g電荷限制電流(space-charge-limited current,SCLC)導(dǎo)電機(jī)制。并且隨著打開過程中施加的限制電流逐漸增大,器件開態(tài)的導(dǎo)電機(jī)制逐漸由Poole-Frenkel導(dǎo)電過渡到SCLC導(dǎo)電,最后轉(zhuǎn)變?yōu)楦邎鲇鉂B(high-field percolation theory)導(dǎo)電。對器件的抗疲勞和非易失性能研究表明,在1mW、450 nm的光照下,器件反復(fù)擦寫200次內(nèi),光電流的開關(guān)比始終保持在104以上,在104s的保持時間內(nèi),開態(tài)和關(guān)態(tài)下的光電流幾乎沒有衰減,表現(xiàn)出很好的保持性能。器件打開和關(guān)斷的時間分別為6ms和0.6ms,均優(yōu)于文獻(xiàn)中報道的數(shù)值。3,首次在實驗上實現(xiàn)了具有邏輯存儲功能的光控實質(zhì)蘊涵(IMP)狀態(tài)邏輯運算。本文選擇具有光控開關(guān)特性的p-Si/HfO2/Pt器件構(gòu)成光控IMP邏輯電路,并通過公式計算,研究IMP邏輯運算中電壓分布的特點和光控邏輯運算的穩(wěn)定性,計算表明,通過選擇合適的串聯(lián)電阻(10MΩ)可以減小閾值電壓不穩(wěn)定對光控IMP運算的影響,從而提高光控邏輯電路的可靠性。實驗結(jié)果表明,通過選擇合適的固定電阻和操作電壓,光控IMP邏輯只有在光的照射下才能夠正確地被執(zhí)行,并且輸出的邏輯狀態(tài)可以長時間的保持�；诠饪豂MP邏輯運算,實現(xiàn)了多種不同的光控邏輯操作,包括光控NAND、光控OR、光控NOR等邏輯運算,輸出的邏輯狀態(tài)同樣可以長時間地保持。4.實現(xiàn)了光電突觸可塑性模擬。結(jié)果表明其長時程增強(qiáng)部分的突觸權(quán)重變化量對光強(qiáng)有依賴性,光強(qiáng)越大,突觸權(quán)重的變化量越大。基于這種光電可塑性我們分別研究了光電流、響應(yīng)度、響應(yīng)時間與限流、光強(qiáng)、波長等調(diào)制條件的依賴關(guān)系,得到如下結(jié)果:(1)不同的限流、光強(qiáng)、波長調(diào)制條件下可以獲得不同的中間態(tài),調(diào)制所用的限流越大、光強(qiáng)越強(qiáng)、波長越長,可以獲得更高的光電流狀態(tài)。(2)實現(xiàn)了可調(diào)制的多態(tài)響應(yīng)度,隨著調(diào)制所用的限流越大,器件的響應(yīng)度越高,器件在相同的光電信號讀取下的響應(yīng)度可以在104范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。(3)在不同限流調(diào)制下器件表現(xiàn)出多態(tài)的響應(yīng)時間,調(diào)制限流越大,響應(yīng)時間(包括上升時間和下降時間)同時縮短,通過與其他人工視網(wǎng)膜器件和生物視網(wǎng)膜器件的對比,我們的器件具有更短的響應(yīng)時間。這種光電突觸可塑性和多態(tài)的光響應(yīng)能夠同時實現(xiàn)光傳感和神經(jīng)形態(tài)的處理,在光控認(rèn)知器件和光學(xué)神經(jīng)形態(tài)硬件中具有廣闊的應(yīng)用前景。5.利用原子層沉積和磁控濺射技術(shù)制備了基于CuOx納米晶的電荷存儲器件,同時利用高分辨透射電子顯微鏡表征了 CuOx納米晶的微觀結(jié)構(gòu),結(jié)果表明銅薄膜在700 °C熱氧化退火后形成多晶態(tài)的CuOx納米晶,包含CuO和Cu20兩種成分。接下來測試了光照對納米晶電荷存儲器件性能的影響,結(jié)果表明,光照可以顯著提高電荷寫入的存儲窗口,在掃描電壓為±6 V時,器件的存儲窗口從暗場下的2.8 V增大到了光照下的5.1 V,提高了 82%的電荷存儲能力。對器件的寫入/擦除速度測試表明,光照對器件的寫入速度有顯著的影響,在光照下,當(dāng)脈沖寬度達(dá)到1O-3s時器件開始打開,平帶電壓偏移1.3 V;而在暗場下,直到脈寬為1s時器件開始打開,平帶電壓偏移0.8 V。對器件的抗疲勞特性測試表明,器件在寫入擦除104后,無論是暗場還是光照條件下器件的電荷存儲能力幾乎沒有衰減,表現(xiàn)出良好的抗疲勞性能。對器件的數(shù)據(jù)保持性能測試表明,光照對器件寫入數(shù)據(jù)后的保持性能有顯著的影響,光照下的電荷損失速度比暗場下更慢,表現(xiàn)出比暗場下更好的保持特性。
【圖文】：

邐第一章緒論邐逡逑ＢＲＳ），分另ｌｌ如圖１－１邋（ａ）和（ｂ）所示。單極型是指ＳＥＴ和ＲＥＳＥＴ過程中所需的電逡逑壓極性相同，而雙極型必須在相反的電壓極性下進(jìn)行。需要指出，，某些單極型在逡逑相同極性電壓下可以完成ＳＥＴ和ＲＥＳＥＴ操作，在相反的極性下同樣可以實現(xiàn)此逡逑類操作，表現(xiàn)出對電壓極性的無關(guān)性，此類阻變行為通常被成為無極型阻變逡逑（ｎｏｎｐｏｌａｒ）［６，７］邋0逡逑３ｂ

學(xué)金屬化的阻變現(xiàn)象。在該模型中，阻變器件的結(jié)構(gòu)是非對稱的，對于ＭＩＭＳ逡逑構(gòu)的器件，一端的電極材料一般為電化學(xué)活潑金屬（Ａｇ，Ｃｕ等），另一端為惰性金逡逑屬（Ｐｔ，Ｗ等），圖１－２為該機(jī)制主導(dǎo)的阻變開關(guān)過程的示意圖，中間的介質(zhì)層材料逡逑為ＺｎＯ：Ｍｎ，當(dāng)正電壓加在Ａｇ電極上，Ａｇ發(fā)生氧化反應(yīng)Ａｇ－ｅ邋—Ａｇ＋，產(chǎn)生的逡逑Ａｇ＋在電場的驅(qū)動下穿過介電層向惰性金屬電極Ｐｔ端遷移，如圖中（ａ）所示，當(dāng)達(dá)逡逑到陰極時發(fā)生還原反應(yīng)Ａｇ＋＋ｅ—？Ａｇ，產(chǎn)生金屬Ａｇ原子，如圖中（ｂ）所示，Ｐｔ電逡逑極上的Ａｇ不斷向著Ａｇ電極生長，當(dāng)器件在兩個電極之間形成一條由Ａｇ原子逡逑組成的導(dǎo)電細(xì)絲時，器件將轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，即ＳＥＴ過程，如圖中（ｃ）所示。當(dāng)電逡逑壓反向時，發(fā)生與ＳＥＴ過程方向相反的氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致導(dǎo)電細(xì)絲溶解并斷逡逑開，器件從低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)，如圖中（ｄ）所示。在該機(jī)制中，ＳＥＴ過程和ＲＥＳＥＴ逡逑過程發(fā)生在極性相反的偏壓下
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP333

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本文編號：2656360