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中国科学院物理研究所 M03组供稿 第5期 2014年02月25日
北京凝聚态物理国家实验室
电致电阻效应动态过程研究取得重要进展
  阻变存储器(Resistive Random Access Memory,RRAM)是基于介质材料电致电阻效应(Resistive Switching Effect)所提出来的一种新型非易失性存储概念。相较于其他存储技术,RRAM器件具有结构简单、读写速度快、集成密度高、易于多值存储等诸多优势,是下一代通用型存储技术最有力的竞争者。电致电阻效应是指材料的电阻可以通过外电场来调控,实现其在高低阻态之间的反复转变。研究表明,在绝大部分氧化物介质材料中都广泛地发现了这一现象,这种普遍的阻变规律涉及到了非平衡输运、低维体系、逾渗理论等丰富的物理现象。 RRAM器件一般具有金属-介质层-金属的三明治结构,模型认为在外电场作用下阻变介质层中形成了导电细丝通道,并且这些导电通道能够在电场或局域热效应的调控下重复地断开或连通,从而导致了器件高低阻双稳态。为了提高RRAM器件一致性、稳定性、可靠性等性能,我们需要有效地对介质层中导电细丝的形状、数量和位置进行人为控制,因此关于导电细丝形成/演化过程细节的研究是解决这些问题的关键因素。虽然利用TEM、AFM、SEM等技术手段可以得到导电细丝存在的直接实验证据,但是由于纳米尺度测量表征的局限性,这些方法主要针对局部区域的稳态进行研究,缺乏从时间角度分析阻变瞬间导电通道形成和演变的动态过程。
  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)磁学国家重点实验室M03组博士研究生洪德顺、陈沅沙副研究员、孙继荣研究员等人基于钨氧化物电致变色效应和光学显微方法,成功在捕获了微米尺度导电通道的形成演变过程,建立起导电通道微观特征与器件宏观电学特性之间的关联性。他们在玻璃衬底上制备了具有水平结构的Au/WOx/Au器件,利用光学显微系统监测电场作用下WOx薄膜透过率的变化规律。原位测量结果显示,forming过程会使均匀WOx薄膜形成一种特殊的非对称电学结构。电场作用下,氧离子向阳极迁移,阴极附近形成了欠氧的暗色导电区域。随电场增强该区域逐渐向阳极延伸。相应地,氧离子在阳极前端不断累积,形成浅色绝缘区域。在暗色导电区域的压迫下,绝缘区域环阳极扩展,阻止导电暗色区域和阳极直接接触。定量分析表明,白色透明区域W:O接近化学配比1:3,暗色区域为1:2.7,而制备态W:O比例为1:2.8。他们证实正是这种非对称的电学结构导致了双极阻变行为,并通过光学系统完整地记录了反复阻变下导电通道的动态演变过程。研究发现,电场通过在环阳极的白色绝缘层中诱导/熔断丝状导电通道,影响器件电阻,丝状通道形状及导电性在反复阻变循环中保持高度重复性,表明通道位置具有记忆性。以往认为阻变由导电丝通道的变化决定,而暗色区域基本不变。他们发现反复阻变过程中暗色区域仍然有离子迁移:当导电丝通道深入暗色区域时,其前沿总被淡色弧包围,且随着电场改变,淡色弧沿径向呈现规律性扩展/收缩,淡色弧的运动显示了暗色区域中氧离子的进一步迁移。这些结果说明RRAM器件阻态的变化不仅仅取决于导电细丝,伴随导电丝的变化,整个器件电学结构发生了协同演变,正是这些影响了器件的响应速度和耐久性。
  利用这一方法,他们还系统研究了Au/WOx/Au器件的耐久性,发现影响器件稳定性的关键问题是阳极稳定性。阳极附近在阻变过程中发生电化学过程,形成氧气体分子累积,导致阳极烧蚀。AFM形貌分析表明阳极顶端随着循环次数逐渐退化,连续的Au电极分离成岛状碎片。阳极烧蚀导致电场不规则分布,破坏了导电丝通道的重复性变化,进而破坏了器件的稳定性、耐久性。这一结果表明在基于离子迁移的双极型RRAM器件中,形成导电通道的缺陷离子不可避免地需要和电极层材料进行交换,如何解决这一问题可能是解决RRAM器件可靠性性能的关键因素。该项研究结果发表在近期的Scientific Reports 4,4058 (2014)。
  以上研究工作得到了科技部“973”项目以及国家自然科学基金的支持。
  相关工作链接:
  http://www.nature.com/srep/2014/140211/srep04058/full/srep04058.html
图1. (a)WOx水平器件原位观测实验设置;(b)Electric forming 过程中的电流-电压关系;(c)薄膜光学透过率变化规律
图2. (a)WOx器件双极阻变行为;(b)~(l)阻变动态过程的原位光学观察
图3. Au/WOx/Au器件阳极AFM形貌随阻变循环次数的变化
下载附件>> srep04058.pdf
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