天津大學姚建銓院士，張雅婷副教授JMCC：具有寬光譜調控特性的阻變存儲器

【引言】

存儲器是計算機中數據存放的主要介質。隨著5G時代到來，帶動人工智能、物聯網、智慧城市等應用市場發展并向存儲器提出多樣化需求，加上傳統存儲器市場價格變化等因素，新型存儲器將在市場發揮越來越重要的作用。因此具有存儲密度更高，讀寫速度更快，功耗更低的新型存儲技術成為時下研究的重點。阻變存儲器是利用薄膜材料在電激勵條件下，其電阻在不同阻態（高阻態和低阻態）之間的互相轉換來實現數據存儲的一種存儲技術。它具有單元尺寸小、多級存儲、讀寫速度快、功耗低、制備工藝和器件結構簡單等優點。因此，其有望成為下一代重要的非易失性存儲器。然而隨著存儲器件尺寸的不斷減小，存儲密度幾乎達到“摩爾定律”極限。在這種情況下，研究存儲器的多級存儲特性，以及光電調控特性，不僅可以實現多級存儲的功能，更為光電結合或者全光存儲提供新的方法。所以，研究阻變存儲器的光調控特性非常有必要。但是現有阻變存儲器仍有一些科學問題需要解決，首先是阻變存儲器的參數均勻性和可靠性問題比較嚴重，器件穩定性仍需改善；其次隱藏在眾多阻變現象背后的電阻轉變機理仍不夠清晰。因此，深入研究阻變機理和開發具有高穩定性的阻變存儲器至關重要。

【成果簡介】

近期，針對上述技術問題和挑戰，天津大學姚建銓院士和張雅婷副教授等發表了題為“Broadband photoelectric tunable quantum dot based resistive random access memory”的研究論文。文章將硫化鉛量子點應用在阻變存儲器中，首先研究了器件的阻變特性、開關速度、數據保持能力和環境穩定性等問題。接著系統性研究了阻變存儲器的寬光譜調控特性，最后利用導電原子力顯微鏡技術對阻變機理進行了深入研究。研究結果表明，基于硫化鉛量子點的阻變存儲器具有開關速度快（170ns），環境穩定性好（>90天），寬光譜調控特性。本文為實現高性能存儲器的制備提供了一種簡單方法，也為下一代光電存儲器的開發提供了新思路。

相應工作發表在Journal of Materials Chemistry C （DOI: 10.1039/c9tc06230k）上，第一作者為天津大學精密儀器與光電子工程學院陳治良博士。

【圖文導讀】

圖1.器件材料和結構的表征

1.合成的PbS 量子點的XRD圖譜。

2.PbS 量子點、PbS 量子點和PMMA混合物以及PMMA的吸收光譜。

3.PbS量子點的發射譜譜。

4.PbS 量子點的單層AFM圖像。

5.PbS QDs透射電鏡圖像。

6.PbS QDs的HRTEM圖像。

7.阻變層表面形貌的AFM圖像，平均層粗糙度為1.41 nm。

8.基于PbS 量子點和PMMA混合物的RRAM器件結構示意圖。

9.器件的橫截面SEM圖像。

圖2.器件阻變性能

1.器件典型的伏安特性曲線。

2.器件在不同限流下的電流電壓特性曲線。

3.器件的多級存儲數據保持能力。

4.器件在100循環測試條件下的開關耐久性。

5.器件的開關速度。

6.器件在不同存放時間的穩定性。

7.器件在不同天數后的HRS和LRS的輸出電流。

8.不同彎曲次數后器件的電流電壓特性曲線

9.起勁在不同彎曲次數后HRS和LRS的輸出電流的變化。

圖3 器件的寬光譜響應特性

1.背光照明實驗裝置。

2-4.器件在不同功率密度激光照射下(波長分別為405 nm、808 nm、1177 nm)的光響應特性。

5.器件響應靈敏度。

6-8.器件的電流電壓特性在不同波長光照下的特性。

9.SET電壓與光照強度的關系。

圖4.阻變機理研究

1.初始狀態下導電原子力顯微鏡測試結果。

2.10V的SET電壓掃掃描后的表面電流。

3.-10V的RESET電壓掃描后的表面電流。

4.器件在初始狀態的能帶結構示意圖。

5.器件在SET過程的能帶結構示意圖。

6.器件在光照條件下SET過程的能帶結構示意圖。

7.器件在初始狀態的示意圖。

8.器件在無光照情況下SET過程示意圖。

9.器件在光照條件下SET過程示意圖。

【總結與展望】

我們提出了一種基于PbS量子點和PMMA混合物作為活性材料的阻變存儲器。首先驗證了這種器件具有較長的數據保持能力、多級數據存儲的特性、超快的響應時間(170 ns)、優良的循環均一性、高的環境穩定性以及機械柔韌性等。其次該器件具有從紫外到近紅外波段的寬光譜調控的特性。最后利用導電原子力顯微鏡證實了阻變層內銀導電細絲的形成和斷裂是造成器件發生阻變的主要原因。該研究為下一代高密度數據存儲技術、光電結合存儲或全光存儲技術的發展奠定了基礎。

文章連接：Zhiliang Chen, Yu Yu, Lufan Jin, Yifan Li, ?Qingyan Li, Tengteng Li, Jie Li, Hongliang Zhao, Yating Zhang, Haitao Dai, Jianquan Yao. Broadband photoelectric tunable quantum dot based resistive random access memory.

DOI: 10.1039/c9tc06230k

https://doi.org/10.1039/C9TC06230K