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基于硅异质结构的光控存储、逻辑和类突触器件的研究

陈岩  
【摘要】:当前,为了满足非易失性存储器件小型化的要求,各种各样新型的非易失性存储器得到了广泛的研究,包括阻变存储器、电荷存储器、相变存储器、铁电存储器等,其中阻变存储器件和电荷存储器件有希望应用在大容量非易失性存储器件中而受到人们广泛关注。近年来,光控存储器件将光引入到存储器件中从而极大地丰富存储器件的应用场景。一方面,光控阻变器件因其独特的电阻转变方式受到研究人员的广泛关注。例如,光控阻变器件的电阻受到光和电共同控制,器件可以用于光信号的探测和存储,还可以根据光控器件对单一波长响应的特性实现安全信息的存储。另一方面,光照同样可以控制电荷存储器件的存储特性,例如光电共同控制的电荷存储,有希望在光学触控板技术上得到应用,为电荷存储器件的多功能应用提供可能。本论文主要以光控阻变器件为研究对象,首先参考生物视网膜的基本结构,制备了仿视网膜结构的光控阻变器件,通过改变光照和施加的电压状态,研究了光控阻变器件的开关特性,以及其在光电突触可塑性模拟和光控蕴涵逻辑运算中的应用。此外我们还研究了光照对CuOx纳米晶电荷存储器件存储性能的影响。本论文内容包括以下几个方面:1.依据视网膜的基本结构,我们选择p-Si作为光感受器,Hf02层作为突触层,Pt作为神经节细胞的膜层,利用原子层沉积、磁控溅射、无掩摸紫外光刻、聚焦离子束刻蚀等材料生长和加工技术制备了仿视网膜结构的光控阻变器件单元。2.研究了此类光电器件的光控阻变特性,器件只有在光照和正向扫描电压下才可以打开,在负向扫描电压下关断,表现出光控双极型阻变行为。对电容-电压曲线分析表明光控阻变来源于光照对Si表面耗尽区电子状态的改变,从而使得外加电压在氧化物层和半导体层的分压发生重新分配。器件在光照下关态的电流-电压曲线符合Poole-Frenkel导电机制,当器件打开之后,氧化物层中的氧空位重新分布,导电机制转变为空间电荷限制电流(space-charge-limited current,SCLC)导电机制。并且随着打开过程中施加的限制电流逐渐增大,器件开态的导电机制逐渐由Poole-Frenkel导电过渡到SCLC导电,最后转变为高场逾渗(high-field percolation theory)导电。对器件的抗疲劳和非易失性能研究表明,在1mW、450 nm的光照下,器件反复擦写200次内,光电流的开关比始终保持在104以上,在104s的保持时间内,开态和关态下的光电流几乎没有衰减,表现出很好的保持性能。器件打开和关断的时间分别为6ms和0.6ms,均优于文献中报道的数值。3,首次在实验上实现了具有逻辑存储功能的光控实质蕴涵(IMP)状态逻辑运算。本文选择具有光控开关特性的p-Si/HfO2/Pt器件构成光控IMP逻辑电路,并通过公式计算,研究IMP逻辑运算中电压分布的特点和光控逻辑运算的稳定性,计算表明,通过选择合适的串联电阻(10MΩ)可以减小阈值电压不稳定对光控IMP运算的影响,从而提高光控逻辑电路的可靠性。实验结果表明,通过选择合适的固定电阻和操作电压,光控IMP逻辑只有在光的照射下才能够正确地被执行,并且输出的逻辑状态可以长时间的保持。基于光控IMP逻辑运算,实现了多种不同的光控逻辑操作,包括光控NAND、光控OR、光控NOR等逻辑运算,输出的逻辑状态同样可以长时间地保持。4.实现了光电突触可塑性模拟。结果表明其长时程增强部分的突触权重变化量对光强有依赖性,光强越大,突触权重的变化量越大。基于这种光电可塑性我们分别研究了光电流、响应度、响应时间与限流、光强、波长等调制条件的依赖关系,得到如下结果:(1)不同的限流、光强、波长调制条件下可以获得不同的中间态,调制所用的限流越大、光强越强、波长越长,可以获得更高的光电流状态。(2)实现了可调制的多态响应度,随着调制所用的限流越大,器件的响应度越高,器件在相同的光电信号读取下的响应度可以在104范围内调节。(3)在不同限流调制下器件表现出多态的响应时间,调制限流越大,响应时间(包括上升时间和下降时间)同时缩短,通过与其他人工视网膜器件和生物视网膜器件的对比,我们的器件具有更短的响应时间。这种光电突触可塑性和多态的光响应能够同时实现光传感和神经形态的处理,在光控认知器件和光学神经形态硬件中具有广阔的应用前景。5.利用原子层沉积和磁控溅射技术制备了基于CuOx纳米晶的电荷存储器件,同时利用高分辨透射电子显微镜表征了 CuOx纳米晶的微观结构,结果表明铜薄膜在700 °C热氧化退火后形成多晶态的CuOx纳米晶,包含CuO和Cu20两种成分。接下来测试了光照对纳米晶电荷存储器件性能的影响,结果表明,光照可以显著提高电荷写入的存储窗口,在扫描电压为±6 V时,器件的存储窗口从暗场下的2.8 V增大到了光照下的5.1 V,提高了 82%的电荷存储能力。对器件的写入/擦除速度测试表明,光照对器件的写入速度有显著的影响,在光照下,当脉冲宽度达到1O-3s时器件开始打开,平带电压偏移1.3 V;而在暗场下,直到脉宽为1s时器件开始打开,平带电压偏移0.8 V。对器件的抗疲劳特性测试表明,器件在写入擦除104后,无论是暗场还是光照条件下器件的电荷存储能力几乎没有衰减,表现出良好的抗疲劳性能。对器件的数据保持性能测试表明,光照对器件写入数据后的保持性能有显著的影响,光照下的电荷损失速度比暗场下更慢,表现出比暗场下更好的保持特性。


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