测量I-V特性分析阻变存储器的导电机制

谢　伟

(岭南师范学院，广东 湛江　524048)



测量I-V特性分析阻变存储器的导电机制

谢伟

(岭南师范学院，广东 湛江524048)

介绍了阻变存储器及其I-V特性的测试分析方法。通过测量三明治结构的阻变存储器的I-V特性，采用多种拟合方法，与导电机制原理对比，可以判断器件的导电机制，便于深入分析阻变机理。

电致阻变； I-V特性；导电机制

1　阻变随机存储器简介

近年来，非易失性存储器(NVM：non-volatilememory)由于其高密度、高速度和低功耗的特点，在存储器的发展当中占据着越来越重要的地位。硅基flash存储器作为传统的NVM器件，已被广泛投入到可移动存储器的应用当中。但是，工作寿命、读写速度的不足，写操作中的高电压及尺寸无法继续缩小等瓶颈已经从多方面限制了flash存储器的进一步发展。为了寻找替代flash的存储器，多种新型器件得到了研究人员和产业界的关注[1,2]，这其中包括铁电随机存储器(FeRAM)[3-4]、磁性随机存储器(MRAM)[5]、相变随机存储器(PRAM)[6]等。然而，FeRAM及MRAM的器件尺寸较大，并且难以缩小，人们开始将目光转向阻变随机存储器(RRAM：ResistanceRandomAccessMemory)。

RRAM是基于电致阻变现象的一种新型的非挥发性存储器，相比于传统的Flash存储器而言，它具有读写速度快、存储密度高、结构简单及制作方法与传统的CMOS工艺相兼容等优点，并且RRAM器件具有相当可观的微缩化前景。电致阻变是指在外加电场的作用下，器件的电阻会在相差较大的数值间转变，称为高阻态和低阻态，通常这种现象发生在具有金属-绝缘体-金属的三明治结构的器件中[7]，图1展示了典型的三明治结构器件。对器件性能及其稳定性的研究，需要测量器件的I-V特性，一般采用脉冲式的I-V测试，即给器件施加一个脉冲电压，脉冲宽度在ns到ms量级不等，在这段时间内采集电路中的电流信号，再施加下一个脉冲电压，继续测量，直至完成器件阻态的转变。脉冲测试示意图如图2所示。

图1　薄膜的电学性能测试示意图

图2　脉冲测试示意图

2　利用I-V特性研究RRAM器件的阻态转变及机理

对于三明治结构的RRAM器件，可用上述方法测得I-V曲线。例如，采用旋涂法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备CaTiO3薄膜，再利用磁控溅射技术在薄膜表面溅射Pt作为上电极，即可测试该器件的I-V特性。在初始化后，可测得I-V曲线如图3所示。

图3　Pt/CaTiO3/Pt器件的I-V特性

图4　(a)，(b)Pt/CaTiO3/Pt器件的正向低阻态和,(c)高阻态的导电机制拟合结果

3　结　　论

通过测试三明治结构的阻变存储器的I-V特性，可以获得对其导电机制的认识。根据对I-V曲线的多种拟合结果，可以判断导电机制的类型，继而分析阻变存储器的内在机理。

[1]G.I.Meijer.WhoWinstheVolatileMemoryRace[J].MaterialsScience,2008,319:1625-1626.

[2]H.R.Lankhorst,W.S.M.M.Ketelaars,R.A.M.Wolters,Low-costandNanoscaleNon-volatileMemoryConceptforFutureSiliconChips[J].Naturematerials,2005,4:347-352.

[3]G.R.Fox.CurrentandFuctureFerroelectricNonvolatileMemoryTechnology[J].J.Vac.Sci.,2001,19:1967-1971.

[4] 路大勇，丁力，都田冒之.钛酸钡陶瓷片的制备和铁电性质的研究[J].大学物理实验，2005(2)：8-15.

[5]S.Tehrani,J.M.Slaughter,M.Deherrera,SuperparamagnetismandtheFutureofMagneticRandomAccessMemory[J].J.Appl.Phys.2003,93:9310-9315.

[6]S.Lai。CurrentStatusofthePhaseChangeMemoryanditsFuture[A].Int.Electron.DevicesMeeting,2003,10.1.1-10.1.4.

[7]R.Waser,R.Dittmann,G.Staikov,K.Szot,Redox-basedResistiveSwitchingMemories-nanoionicMechanisms,prospects,andchallenges[J].Adv.Mater.2009,21,2632-2663.

[8]王永，管伟华，龙世兵，等.阻变式存储器存储机理[J].物理，2008,37:870-874.

Study on the Conduction Mechanism of Resistance RandomAccessMemoryviatheMeasurementofI-VCharacteristic

XIE Wei

(Lingnan Normal University,Guangdong Zhanjiang 524048)

Itintroducestheresistancerandomaccessmemory,andthemeasuringandanalysismethodfortheI-Vcharacteristicsareintroduced.TheI-Vcharacteristicsofthesandwichstructuredevicecanberecorded,andfittedbyseveralmethods.Fittingresultwascomparedwithmanyconductiveprinciples,andthentheconductivemechanismofthedevicecanbedetermined.Themethodishelpfulforthedepthanalysisofthemechanismofresistanceswitching.

resistiveswitching；I-Vcharacteristics；conductivemechanism

2016-03-21

国家星火计划(2015GA780058)；广东高校青年人才创新计划(2014KQNCX188)；岭南师范学院博士专项(ZL1503)

1007-2934(2016)04-0021-02

O431

ADOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.007