SiO2的阻变存储特性测试

SiO2的阻变存储特性测试

信息存储一直伴随着人类历史发展，如今阻变式存储器在众多存储器的比较中显现出了巨大优势，有望成为新一代的存储器。本文比较了阻变式存储器与其他存储器的优缺点，阐述了阻变式存储器的工作机制和储存结构；对阻变式存储器的前景进行了展望。

关键词：阻变式存储器，非挥发性存储器，阻变机制，工作原理。

2.1 RRAM的性能

现如今主流存储器flash存储器在工艺上已接近极限。而新型的RRAM存储器因具有结构简单、尺寸小、读写速度快等优点越来越受到人们的关注。其中阻变式存储器的性能更是人们关注的重点。

2.1.1 读写操作电压

读写操作电压是指改变组织状态所需的最小电压。操作电压应在1V-2V之间，比Flash的操作电压低，具有优势。

2.1.2 操作速度

操作速度是指改变组织所需最少的时间。Flash技术的操作速度在μs水平，而RRAm技术已经达到纳秒级别。

2.1.3 器件寿命

Flash器件的寿命在106 左右，RRAM的使用次数应在这个以上。

2.1.4 信息存储时间

对于RRAM器件，信息存储时间至少要在10年以上。

2.2 RRAM的工作机理

RRAM的材料不同工作机理就不同，所以RRAM的工作机理有多种解释。主要分为4类：P-F（Poole-Frenkel）效应、S-V（Simmons-Verberder）理论、Fliament 理论和SCLC（space charge limited current）。

2.2.1 P-F效应

P-F效应又称为场助热电力效应（Filed-assisted thermal ionization），是一种与陷阱有关的发射机制，与肖特基发射效应类似[6]。P-F效应的本质是电子浓度的变化，不是电子迁移率的改变。因为绝缘体材料在受污染和发生分解时会带来大量陷阱，这些陷阱在体内会产生类似界面处的库仑势垒，限制漂移电流和扩散电流。相邻陷阱间的距离较大很难发生隧穿现象，所以只能通过陷阱释放俘获电荷来改变导带中电子浓度[7]。

图6

施主效应的P-F效应（

d

E为施主能级，φ∆为势垒降）

由图6可以看出电荷跃迁出的几率增大，导致电导增大，电流上升。

I-V的特性曲线：)

2

ex p(

2

1

0kT

V

J

J PF

β

=

式中

K

e

PF

3

πε

β=，e为电子电量，

ε为真空介电常数，K为相对介电常数，0

J为电流密度，V为外加电压，k为玻尔兹曼常数，T为温度。

产生P-F效应的前提是：在界面处形成非阻挡接触。因为势垒很薄，即使是阻挡接触，也可以用隧穿的方式向体内注入电子。还需具备两种状态：材料中存在大量施主和受主中心，陷阱是正电性的[8]。

2.2.2 S-V理论

S-V理论是由Simmons和Venderber在1967年提出的，解释了SiO薄膜的负阻现象[9]。在进行电化学反应时，金原子会在电场的作用下，从电极扩散到SiO 层，形成深能级电子陷阱局域态，如图7所示，

图7

在外加电场中，电子进入局域态，然后通过隧穿的方式穿过局域态，并达到正电极。这是的SiO薄膜的阻态为低阻态。能带在Ⅰ区弯曲，因为陷阱能级差异较大，隧道的难度也随之增大，所以有驻留电子。

当电压加大至最大时，能带的弯曲也加大，局域态能带接近于费米能级，局域态内的隧穿通道变少，电子隧穿的难度增大，电流下降，此时的SiO薄膜处于负微分电阻区。

当电压减小到最小时，隧穿现象接近停止，电流降到最低。此时若撤去外加电场，陷阱中的电子不能释放出来，会通过隧穿的方式达到Ⅱ区的局域态的能带顶部，形成附加电子势垒，附加电子势垒可以阻碍电子进入局域态。如图8所示

图8

此时的SiO薄膜处于高阻态状态，有一个很小的电压就可以读取储存信息。当电压加至阈值电压，局域态能带顶部的电子会被释放出来，SiO从高阻态变为低阻态，形成了转变。

2.2.3 SCLC 效应

SCLC 效应又称空间电荷限制电流效应。由于在宽禁带材料中，导带中的电荷很少，此时的电流会受到导带中电荷的影响，与此相关的都称为SCLC 效应[10]。空间电荷限制电流效应是一种受缺陷控制的机制，在低压下，由于薄膜中的陷阱会捕获电子，因此没有可以自由移动的电子，电流很低。

当电压加之设定电压时，陷阱被电子全部填充，此时再注入电子就不会受到陷阱的影响，电流增大，电阻从高阻态变为了低阻态。

电流密度： 320891L V J r εμεθθ⎪⎭

⎫ ⎝⎛+= 式中()kT E E t

c t c e N N /--=θ，是自由电子与陷阱中电子的比率；c N 是导带低有效态密度；t N 是未被占据的电子数目；k 是玻尔兹曼常数；0ε 是真空介电常数；r ε是薄膜材料的相对介电常数；μ是电子迁移率；V 是外加电压；L 是薄膜材料的厚度。

当陷阱没有被填充时，1〈〈θ，电阻为高阻态，32

089L

V J r εμεθ= 当可移动载流子浓度等于材料本征热载流子浓度时，1〉〉θ，电阻为低阻态，

3

2

089L V J r εμε= 由此可见SCLC 效应的I-V 曲线是双极性的。

2.2.4 Filament 细丝理论

研究发现，一些材料在外加电压的作用下电导会快速变大，在高功率时电导又会快速变小，这种现象称为细丝的产生和断裂。目前有许多实验证明了Fliament 理论是薄膜发生阻变现象的原因[11]。

一些学者认为，细丝的产生是因为金属氧化物在外加电压下分解，产生了金属原子；另一些学者认为，细丝的产生是含金属的有机物中的纳米金属颗粒在电场的作用下排列成细丝的形状。

细丝理论分为两种：金属细丝和非金属细丝。J.Y.Son 等人研究非金属细丝，通过对Hg/NiO/Rt 的观察发现，利用导电原子力显微镜可以观察到NiO 薄膜的细丝的产生和断裂。