氧化石墨烯电阻型存储材料的研究

Abstract

在新型非易失性存储器中，基于电致电阻效应的电阻型存储器（RRAM）以其结 构简单、存储密度高、读写速度快、功耗低、与传统CMOS 工艺兼容性好等优点而 被广泛研究。目前发现的RRAM 候选材料很多，但没有一种材料能完全达到实用化 的要求，RRAM 电阻转变机理仍不明确，因此，开发新型存储材料、揭示RRAM 电 阻转变机制，仍是RRAM 发展的关键。 氧化石墨烯（GO）表面含有大量亲水性官能团，在水中分散性好，易于大面积 均匀成膜，通过改变含氧官能团的含量，可以调节GO 的能带结构和导电特性，因此 在微电子领域有很好的应用前景。本文研究了GO 薄膜的电致电阻效应，探讨了GO 薄膜作为RRAM 存储材料的可能性。 首次在GO 薄膜中观察到了稳定的电致电阻效应，开关比约为20，开关电压低 于1 V，并具有良好的抗疲劳性和数据保持性（高低阻态可以稳定保持200 天以上）。 研究了顶电极材料、GO 薄膜厚度、顶电极面积、限流对GO 薄膜电阻转变效应 Forming 电压、初始电阻、高低阻态阻值等方面的影响。研究结果表明GO 薄膜电致 电阻效应的初始电阻、Forming 电压随着金属功函数的增加而增大（Ag 电极除外）， 随着GO 薄膜厚度的增加而增大，随着顶电极面积的增加，呈现递减趋势，而开关电 压和高低阻态阻值受薄膜厚度、顶电极面积等因素影响不大； Reset 电流随限流线性 增大，低阻态电阻随限流的增大而减小，因此可以通过改变限流来控制RRAM 器件 的功耗并可以实现多态存储。 采用导电原子力显微镜（CAFM）对GO 薄膜进行了导电性测量，在微观尺度观 察到了薄膜的电致电阻现象。CAFM 观察到的写入-擦除过程与半导体参数分析仪的 宏观测量结果一致。研究表明GO 薄膜器件高阻态的导电行为服从缺陷控制空间电荷 限制电流机制，变温特性表现为半导体导电特性，低阻态服从欧姆导电机制，变温特 性表现为金属导电特性，探讨了GO 薄膜中电阻转变效应可能的物理机制，包括金属 导电丝模型及含氧基团的脱附与吸附模型