《阻變存儲(chǔ)器的研究進(jìn)展綜述論文》8700字

阻變存儲(chǔ)器的研究進(jìn)展綜述論文摘要隨著科學(xué)技術(shù)以及信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，目前擁有的傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器已經(jīng)滿足不了我們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求。探索出更加方便的存儲(chǔ)器已經(jīng)迫在眉睫，因此電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RRAM）在非易失性、低功耗、非破壞性讀出和高密度存儲(chǔ)器方面引起了人們的興趣。阻變存儲(chǔ)器（RRAM）是被認(rèn)為下一代最有前途的非易失性存儲(chǔ)器之一。相比于傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器，RRAM擁有規(guī)?？s小，需求功耗低、制造成本低，操作速度快等眾多優(yōu)點(diǎn)。本文綜述了近年來(lái)RRAM的研究進(jìn)展，包括RRAM的工作機(jī)理、器件結(jié)構(gòu)、材料、理論以及RRAM的未來(lái)的應(yīng)用層面和發(fā)展問(wèn)題的預(yù)測(cè)。重點(diǎn)關(guān)注了阻變存儲(chǔ)器的材料，總結(jié)未來(lái)能否做到量產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品，被工業(yè)市場(chǎng)接納的一類材料。關(guān)鍵詞：阻變存儲(chǔ)器；介質(zhì)材料；電極材料；存儲(chǔ)性能目錄TOC\o"1-3"\h\u第一章緒論 11.1研究背景 11.2阻變存儲(chǔ)器的工作原理 21.3阻變存儲(chǔ)器的研究現(xiàn)狀 31.4選題思路與內(nèi)容 4第二章阻變存儲(chǔ)器的材料體系 42.1阻變存儲(chǔ)器的材料分類 42.1.1二元金屬氧化物阻變材料 42.1.2固體電解質(zhì)材料 62.1.3多元金屬氧化物 62.1.4納米材料 8第三章結(jié)論與展望 93.1結(jié)論 93.2展望 9參考文獻(xiàn) 11第一章緒論1.1研究背景開發(fā)能像人類一樣思考、判斷和做決定的人工智能一直是全世界夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。存儲(chǔ)信息的能力一直是人類發(fā)展的重要方面。在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)中，見證了用于存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的大量新技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)今的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用易失性和非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的層次結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化成本和性能之間的關(guān)系。30多年來(lái)，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）一直被用作計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)中的主要存儲(chǔ)器。SRAM和DRAM都是易失性存儲(chǔ)器，也就是說(shuō)，一旦切斷電源，它們就會(huì)丟失存儲(chǔ)的信息。對(duì)于永久性（非易失性）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，磁性硬盤驅(qū)動(dòng)器（HDD）已經(jīng)使用了五十多年。然而，隨著諸如音樂(lè)播放器和移動(dòng)電話之類的便攜式電子設(shè)備的出現(xiàn)，被稱為“閃存”的非易失性固態(tài)存儲(chǔ)器已經(jīng)被引入到DRAM和HDD之間的存儲(chǔ)體系中。閃存已成為移動(dòng)電子設(shè)備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的主要形式，并且越來(lái)越多地被用于補(bǔ)充HDD存儲(chǔ)功能。雖然RRAM已經(jīng)經(jīng)歷十多年的高速發(fā)展，但是目前不能做到可商業(yè)化，存在很多需要面臨的問(wèn)題亟需我們?nèi)ソ鉀Q。如圖1.1所示，有關(guān)RRAM的論文逐年快速增加，表明該領(lǐng)域因其良好的規(guī)?；熬啊?yōu)異的操作和加工性能而引起了巨大的科學(xué)興趣。未來(lái)該領(lǐng)域必然會(huì)得到更大更寬廣的研究。圖1.1根據(jù)科學(xué)網(wǎng)每年關(guān)于電阻開關(guān)的出版物1.2阻變存儲(chǔ)器的工作原理阻變存儲(chǔ)器全稱電阻開關(guān)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RRAM）,存儲(chǔ)器(Memory)是現(xiàn)代信息技術(shù)中用于保存信息的記憶設(shè)備，其RRAM器件通過(guò)施加適當(dāng)?shù)碾妷簩?shí)現(xiàn)了高阻態(tài)（HRS）和低阻態(tài)（LRS）之間的電阻切換，由于其良好的可擴(kuò)展性、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、快速的開關(guān)速度、較長(zhǎng)的保持時(shí)間和非破壞性的讀出，引起了人們極大的興趣。以電阻轉(zhuǎn)變效應(yīng)為工作原理的阻變存儲(chǔ)器(ResistiveRandomAccessMemory，RRAM)是最具應(yīng)用前景的下一代非易失性存儲(chǔ)器之一，與傳統(tǒng)浮柵閃存相比，在器件結(jié)構(gòu)、速度、可微縮性、三維集成潛力等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線(ITRS)認(rèn)為RRAM是應(yīng)當(dāng)受到重點(diǎn)關(guān)注從而加速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的兩種新型存儲(chǔ)器之一。阻變存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)為三明治結(jié)構(gòu)，由上電極、下電極以及電阻轉(zhuǎn)變層三層組成，其中的電阻轉(zhuǎn)變層為各種介質(zhì)薄膜材料，它在外加電壓、電流等電信號(hào)的作用下會(huì)在不同電阻狀態(tài)之間進(jìn)行可逆的轉(zhuǎn)變，電阻狀態(tài)通常為高、低兩種阻態(tài)，在多值存儲(chǔ)或憶阻器中則有多種電阻態(tài)，而RRAM中的電阻開關(guān)存儲(chǔ)單元通常由夾在兩個(gè)電子導(dǎo)電電極M之間的絕緣體或電阻材料構(gòu)成，以形成金屬-絕緣體-金屬（MIM）結(jié)構(gòu)。通過(guò)施加適當(dāng)?shù)碾妷?，MIM單元可以在高電阻狀態(tài)（HRS）和低電阻狀態(tài)（LRS）之間切換。這兩個(gè)狀態(tài)可以分別表示邏輯值1和0。根據(jù)電壓極性，RRAM器件的電阻開關(guān)行為分為單極性或雙極性。對(duì)于單極性開關(guān)，電阻開關(guān)是由相同極性但幅度不同的電壓引起的，如圖1（a）所示。對(duì)于雙極切換，一個(gè)極性用于從HRS切換到LRS，另一個(gè)極性用于切換回HRS，如圖1（b）所示。圖1（c）所示的第三種電阻開關(guān)行為是非極性開關(guān)，其中從LRS到HRS（復(fù)位過(guò)程）以及從HRS到LRS（設(shè)定過(guò)程）的開關(guān)是用正電壓或負(fù)電壓完成的。無(wú)論開關(guān)類型如何，設(shè)置電流通常都是有限的，以避免設(shè)備發(fā)生硬故障。RRAM的重要性能參數(shù)包括工作電壓、工作速度、電阻比、耐久性、保持時(shí)間、器件成品率，甚至多級(jí)存儲(chǔ)，工作電壓眾所周知，高工作電壓是實(shí)際應(yīng)用中的致命缺陷。這是因?yàn)楦吖ぷ麟妷阂馕吨吖摹４送猓吖ぷ麟妷合碌目煽啃钥赡苁且粋€(gè)問(wèn)題。為了獲得比閃存更大的優(yōu)勢(shì)，RRAM設(shè)備的編程和擦除電壓應(yīng)該只有幾伏。圖1.2RRAM器件的電阻開關(guān)行為(a）單極開關(guān)(b）雙極開關(guān)(c）非極性開關(guān)。1.3阻變存儲(chǔ)器的研究現(xiàn)狀早在1962年Hickmott[1]在1962年首次在一系列二元氧化物中報(bào)道了電阻開關(guān)現(xiàn)象。從那時(shí)起，在外加電場(chǎng)下的遲滯電阻開關(guān)行為在許多材料中都有許多報(bào)道[2?3]1967年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的KahngD和SzeSM[4]首次提出了用浮柵（FG）器件獲得非易失性存儲(chǔ)器的想法，這也是首次認(rèn)識(shí)到非易失性MOS存儲(chǔ)器的可能性。從那天起，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器為數(shù)字電子技術(shù)的革命性發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。1969年IBM公司[5]提出了一種用于高速存儲(chǔ)器的64位雙極RAM芯片，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器一直是現(xiàn)代電子技術(shù)不可缺少的組成部分和支柱systems.All熟悉的計(jì)算平臺(tái)從手持設(shè)備到大型超級(jí)計(jì)算機(jī)，都使用存儲(chǔ)系統(tǒng)暫時(shí)或永久地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。從存儲(chǔ)數(shù)字節(jié)數(shù)據(jù)的穿孔卡片開始，存儲(chǔ)系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了多字節(jié)的容量，空間和功耗都大大減少。電阻開關(guān)現(xiàn)象的研究在20世紀(jì)70年代和80年代出現(xiàn)了第一個(gè)高潮。早期的研究大多集中在討論和揭示電刺激電阻開關(guān)的物理機(jī)制。隨著微電子加工技術(shù)的發(fā)展，研究人員認(rèn)識(shí)到電阻開關(guān)行為在20世紀(jì)90年代后期有可能被用作最終的NVM[6-7]，這帶來(lái)了電阻開關(guān)的第二次研究熱潮。2013年，Kim等研究人員[8]在In-Sb–Te發(fā)現(xiàn)了具有轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，2015年，Shulake等人[9]發(fā)現(xiàn)這些新想法可以在未來(lái)的計(jì)算系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和計(jì)算單元的三維芯片集成，突出的候選設(shè)備包括稱為相變存儲(chǔ)器(PCM)的設(shè)備，它與傳統(tǒng)使用的設(shè)備有顯著區(qū)別，它們是基于PCM的非易失性存儲(chǔ)器，這些非易失性記憶的基礎(chǔ)在于電阻的變化而不再在于電荷的儲(chǔ)存。2018年，Sun等研究人員[10]發(fā)現(xiàn)PCM的存儲(chǔ)器通常基于GST三元系統(tǒng)的化合物做了很多改進(jìn)研究。2016年發(fā)現(xiàn)In-Sb-Te族共晶，從而使之后的科學(xué)家對(duì)Sb-Te二元體系做過(guò)更多深刻的研究[8]。這些研究成果促進(jìn)RRAM的成熟和能夠量產(chǎn)化和進(jìn)入市場(chǎng),前景的優(yōu)越性讓更多的研究者。1.4選題思路與內(nèi)容目前，阻變存儲(chǔ)器已經(jīng)被廣泛報(bào)道與應(yīng)用，但這項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用與性能優(yōu)化方面以及存儲(chǔ)機(jī)理等方面還存一些待解決的問(wèn)題。（1）器件工作機(jī)理不是特別明確，阻變機(jī)制也尚未完全明確，需要繼續(xù)探索新型存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)和材料材料特性。器件工作機(jī)理不是特別明確，阻變機(jī)制也尚未完全明確，需要繼續(xù)探索新型存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)和材料材料特性。（2）器件的可靠性也有一些基礎(chǔ)性的問(wèn)題需要解決，RRAM的參數(shù)均勻性和可靠性目前有了較大的成長(zhǎng)，但是還是未能建立可靠普適的器件模型，需要進(jìn)一步提出改善可靠性的辦法。（3）材料屬性很多目前，多種材料都有非易失性電阻開關(guān)的特性。還不能選擇屬于更好的物質(zhì)來(lái)做RRAM的材料基礎(chǔ)。針對(duì)上述的現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題，本課題擬將對(duì)多種材料進(jìn)行規(guī)劃分類，闡述多種材料在做RRAM時(shí)表現(xiàn)出的電阻轉(zhuǎn)變性能更好，是否能滿足當(dāng)下發(fā)展的需求，能否做到量產(chǎn)化并且更具工業(yè)前景。第二章阻變存儲(chǔ)器的材料體系2.1阻變存儲(chǔ)器的材料分類Pr0.7Ca0.3MnO3、GeTe、GeSe、Ag-Ge-S、Cu摻一些雜質(zhì)SiO2和TiO2混合目前都已經(jīng)被報(bào)道具有非易失性電阻開關(guān)特性。材料整體劃分為無(wú)機(jī)膜材料、有機(jī)薄膜材料、納米材料、固體電解質(zhì)材料等材料，本文重點(diǎn)介紹這幾類材料：二元金屬氧化物、固體電解質(zhì)材料、多元金屬氧化物、納米材料。2.1.1二元金屬氧化物阻變材料相比于其他阻變材料，二元金屬的氧化物的優(yōu)點(diǎn)更多。它由于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、材料組分容易控制和制備工藝簡(jiǎn)單，而且它可以與CMOS工藝兼容，這些異于其它材料的優(yōu)點(diǎn)，從而讓它更讓業(yè)界重視。多家大型公司都采用二元金屬氧化物材料來(lái)研究和擴(kuò)展RRAM技術(shù)。國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)有很多科研工作者早已在基于二元金屬氧化物的阻變研究做出了大量的探索和科研工作。蘭州大學(xué)李乃峰在二氧化鉻薄膜中摻雜3.8%的硫足以讓p型的HfS2半導(dǎo)體層變?yōu)榘雽?dǎo)體層變?yōu)榻饘賹覽11]。阻變現(xiàn)象可以使HfS2在半導(dǎo)體特性和金屬特性的轉(zhuǎn)換。目前發(fā)現(xiàn)Nb2O5、Al2O3、Ta2O5、TiO2、NiO、ZrOx等多種二元金屬氧化物的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)現(xiàn)象。下面介紹目前市面上大多數(shù)公司傾向的二元金屬氧化物材料氧化亞銅（CuxO）的金屬-絕緣體-金屬（MIM）存儲(chǔ)器，首次提出了空間電荷限制傳導(dǎo)（SCLC）模型來(lái)解釋開關(guān)機(jī)制和存儲(chǔ)單元性能。圖中（b）示出了具有集成在標(biāo)準(zhǔn)CMOS架構(gòu)中的CuxO-MIM存儲(chǔ)器元件的64Kb存儲(chǔ)器測(cè)試陣列的剖視圖。Cu通孔定義了存儲(chǔ)器元件的一個(gè)端子。電化學(xué)沉積，退火銅是平坦化的化學(xué)機(jī)械拋光在傳統(tǒng)的方式。如圖中（c）所示，通過(guò)0.18umCu通孔的熱氧化來(lái)生長(zhǎng)厚的CuxO膜。上電極由雙層Ti/TiN薄膜組成，通過(guò)反應(yīng)濺射的方法從Ti靶上沉積，并通過(guò)減影蝕刻形成圖案。每個(gè)CuxO存儲(chǔ)器元件連接到選擇晶體管，選擇晶體管一起定義存儲(chǔ)器單元，根據(jù)CuxO-MIM電池的開關(guān)特性，建立了基于SCLC和固體材料中陷阱/反陷阱過(guò)程的電阻開關(guān)模型。這種工作模式下的此單元表現(xiàn)出優(yōu)異的存儲(chǔ)特性、非常長(zhǎng)的保留時(shí)間、開關(guān)的速度快、低功耗操作、可擴(kuò)展性強(qiáng)以及與CMOS技術(shù)的兼容性好等特性。這些特性適合高密度低成本內(nèi)存應(yīng)用。圖2.1.1（a）連接到選擇晶體管的存儲(chǔ)器單元(b）存儲(chǔ)單元陣列的橫截面圖(c）通孔中Cu2O存儲(chǔ)單元的透射電鏡研究2011年Li[12]等人制備了一種簡(jiǎn)單Cu/WO3/Pt三明治結(jié)構(gòu)的WO3基RRAM器件，系統(tǒng)地研究了所制備的Cu/WO3/Pt器件的電阻開關(guān)特性。通過(guò)對(duì)介紹了一種用于非易失性存儲(chǔ)器的Cu/WO3/Pt結(jié)構(gòu)RRAM器件，這個(gè)器件具有良好的電阻開關(guān)特性，如耐久性好、功耗低、數(shù)據(jù)保持可靠等。并且分別對(duì)比不同頂電極材料對(duì)Cu/WO3/Pt存儲(chǔ)器件電阻開關(guān)特性的影響，以及結(jié)合恒電壓下電流隨時(shí)間的變化，說(shuō)明電化學(xué)反應(yīng)在Cu/WO3/Pt存儲(chǔ)器件電阻開關(guān)中起著重要作用。而且通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明出電阻開關(guān)的機(jī)制與局部導(dǎo)電絲的形成和斷裂有關(guān)。而且發(fā)現(xiàn)了Cu/WO3/Pt存儲(chǔ)器件具有可重復(fù)電阻開關(guān)、低功耗、多級(jí)存儲(chǔ)和良好的保持性等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于未來(lái)的非易失性存儲(chǔ)應(yīng)用方面必然可以重點(diǎn)關(guān)注。2.1.2固體電解質(zhì)材料固體電解質(zhì)一般是含有大量高流動(dòng)性帶正電的金屬離子的快離子導(dǎo)體,目前發(fā)現(xiàn)的固體電解質(zhì)都含有Cu和Ag的混合物[13-14]。早期關(guān)于可編程金屬化單元存儲(chǔ)器的工作中，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)重點(diǎn)研究了富硫硒化鍺基器件。摻銀的Ge-Se電解質(zhì)具有高的離子遷移率，這對(duì)于快速的器件操作是需要的，但是由這些材料形成的器件的一個(gè)缺點(diǎn)是它們不容易忍受超過(guò)200℃的加工條件。這意味著相對(duì)低溫的BEOL處理對(duì)于與CMOS集成是必要的。盡管這在新材料和新工藝中是可能的，但這在半導(dǎo)體行業(yè)中是非標(biāo)準(zhǔn)的，因此可能會(huì)增加集成或嵌入PMC存儲(chǔ)器的成本。并且研究發(fā)現(xiàn)硫化物基固體電解質(zhì)適合用于PMC器件，摻銀材料將在后端處理中存活到430°C。因此，與硒化物基材料相比，這些材料似乎是集成到標(biāo)準(zhǔn)CMOS流中的更好選擇[12]。銅是作為一種已經(jīng)在半導(dǎo)體工業(yè)中廣泛應(yīng)用的材料，在硫化物基器件中是銀的合適替代品，但是高溫處理仍有待研究。未來(lái)會(huì)更具有被世界的工業(yè)市場(chǎng)認(rèn)可的前景。20世紀(jì)80年代以來(lái)，人們對(duì)非晶硅（a-Si）器件的電阻開關(guān)行為進(jìn)行了觀察和研究。典型器件由兩層金屬層組成，中間夾一層Si層作為存儲(chǔ)介質(zhì)，形成了metal/a-Si/metal（M/a-Si/M）層狀結(jié)構(gòu)。電阻開關(guān)行為可以用正（負(fù)）電壓下a-Si基體內(nèi)部金屬絲的形成（消除）來(lái)解釋，這種M/a-Si/M器件，需要經(jīng)歷一個(gè)高壓成形過(guò)程，在10V以上的電壓下施加一個(gè)長(zhǎng)的電壓脈沖。成形過(guò)程通常沒有得到很好的控制，在初始長(zhǎng)絲成形后可能會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生永久性損傷，這嚴(yán)重限制了器件的產(chǎn)量和應(yīng)用潛力。2008年，美國(guó)密歇根州安阿伯市米希根大學(xué)Jo等人[15]發(fā)表了一篇關(guān)于平面硅平臺(tái)上的納米尺度a-Si電阻開關(guān)結(jié)構(gòu)。并且自20世紀(jì)80年代以來(lái)，人們對(duì)非晶硅（a-Si）器件的電阻開關(guān)行為進(jìn)行了觀察和研究。器件由兩層金屬層組成，中間夾一層Si層作為存儲(chǔ)介質(zhì)，形成了一種為metal/a-Si/metal（M/a-Si/M）層狀結(jié)構(gòu)。電阻開關(guān)行為可以用正（負(fù)）電壓下a-Si基體內(nèi)部金屬絲的形成（消除）來(lái)解釋。然而，這種M/a-Si/M器件，需要經(jīng)歷一個(gè)高壓成形過(guò)程，在10V以上的電壓下施加一個(gè)長(zhǎng)的電壓脈沖。目前還不清楚這些器件是否可以縮小到100nm以下，通常在成形后可以觀察到微米大小的細(xì)絲。因此，很少有人嘗試將非晶硅電阻開關(guān)器件作為超高密度材料進(jìn)行研究。受最近納米線存儲(chǔ)器件研究的啟發(fā)，它們研究了平面硅平臺(tái)上的納米尺度a-Si電阻開關(guān)結(jié)構(gòu)，并且展示了高性能，使用固態(tài)硅作為存儲(chǔ)介質(zhì)的非易失性電阻開關(guān)存儲(chǔ)器可以很容易地通過(guò)CMOS兼容的傳統(tǒng)處理工藝實(shí)現(xiàn)。2.1.3多元金屬氧化物目前出現(xiàn)在研究范圍可具有電阻轉(zhuǎn)變效應(yīng)的多元金屬氧化物種類不是特別多。主要是前已報(bào)道的主要為PrxCa1-xMnO3(PCMO),LaxCa1-xMnO3和LaxSr1-xMnO3等四元金屬氧化物[16，17,18,19，13]和SrTiO3,SrZrO3和SrRuO3等三元金屬氧化物[20，21，22，23]。2000年，美國(guó)休斯頓大學(xué)Liu等人[16]采用脈沖激光沉積（PLD）技術(shù)制備了樣品，并且報(bào)道了金屬氧化物薄膜Pr0.7Ca0.3MnO3在不同極性的電脈沖作用下發(fā)生的可逆電阻效應(yīng)的現(xiàn)象，而且它們的電阻值可以在相差10倍以上的兩個(gè)狀態(tài)之間變化，巨磁阻薄膜電阻器是一種新型的非易失性存儲(chǔ)器元件,隨后大多數(shù)巨磁材料就收到業(yè)界的廣泛關(guān)注,濺射和旋涂（MOD）工藝隨后被開發(fā)用于在標(biāo)準(zhǔn)硅片上制造電阻存儲(chǔ)器,每種工藝都能產(chǎn)生優(yōu)良的存儲(chǔ)電阻。主要是摻銀硫化鍺固體電解質(zhì)PMC器件的電學(xué)特性，這些材料具有極好的熱穩(wěn)定性，而且，由它們制成的器件能夠承受許多BEOL工藝中使用的高溫。2006年，相關(guān)科學(xué)家研究了脈沖激光沉積在Pt/Ti/SiO2/Si襯底上的Ag/La0.7Ca0.3MnO3/LCMO/Pt三明治薄膜的電流-電壓特性和電阻開關(guān)機(jī)理特性問(wèn)題[17]。這些特性可以用空穴載流子注入的空間電荷限制的SCL傳導(dǎo)來(lái)解釋，它是由能量指數(shù)分布的Ag/LCMO界面陷阱控制的?？昭ㄝd流子的俘獲/解俘獲過(guò)程導(dǎo)致了i/v曲線的遲滯和不對(duì)稱，不同電壓范圍下的電阻變化與正偏壓引起的載流子俘獲能級(jí)有關(guān)。在陷阱輔助界面相分離的基礎(chǔ)上，研究者討論了有序/無(wú)序轉(zhuǎn)變對(duì)電阻保持性能的影響。因此，電壓脈沖引起的電阻開關(guān)是由界面誘導(dǎo)的塊狀有限輸運(yùn)效應(yīng)引起的。并且研究了Ag/LCMO/Pt異質(zhì)結(jié)構(gòu)的滯回特性。用能量服從指數(shù)分布的Ag/LCMO界面陷阱控制的SCL傳導(dǎo)來(lái)描述載流子輸運(yùn)過(guò)程。當(dāng)載流子俘獲能級(jí)達(dá)到I/V曲線顯示T/FL傳導(dǎo)機(jī)制時(shí)，可以觀察到磁滯現(xiàn)象，這可以歸因于俘獲載流子的保留特性。電壓脈沖引起的高阻和低阻狀態(tài)也與載流子的陷阱能級(jí)有關(guān)，電阻開關(guān)可以看作是空穴載流子陷阱/解陷阱過(guò)程引起的陷阱能級(jí)分布的變化。這種SCL的產(chǎn)生歸因于界面誘導(dǎo)的塊狀有限效應(yīng)，因?yàn)橹鲗?dǎo)載流子傳輸?shù)南葳逦挥贏g/LCMO界面。能量呈指數(shù)分布的載流子填充陷阱具有傳統(tǒng)SCL條件所不能解釋的非易失性。鈣鈦礦錳氧化物薄膜的非易失性與陷阱輔助界面相分離過(guò)程引起的有序/無(wú)序轉(zhuǎn)變有關(guān)。研究人員實(shí)驗(yàn)得出，電極-絕緣體或半導(dǎo)體-電極三明治系統(tǒng)的電阻開關(guān)可能是由電極/絕緣體或半導(dǎo)體界面的缺陷所決定的。改進(jìn)的RRAM器件可以通過(guò)設(shè)計(jì)界面來(lái)創(chuàng)建一個(gè)金屬/絕緣體相共存層，其中導(dǎo)電性強(qiáng)烈依賴于載流子注入。2020年，Liu等人[19]在美國(guó)物理學(xué)會(huì)上發(fā)表一篇在巨磁阻材料CMR中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)在室溫和零磁場(chǎng)環(huán)境下激活的大電脈沖誘導(dǎo)的可逆電阻Pr0.7Ca0.3MnO3薄膜的文章。在脈沖電場(chǎng)作用下，研究人員觀察到電場(chǎng)方向相關(guān)的電阻變化超過(guò)1700%；持續(xù)時(shí)間100ns，低至65V。電阻變化隨脈沖數(shù)的增加而累積，具有可逆性和非易失性。這種室溫下在CMR材料中觀察到的電致缺陷既有利于材料性能的發(fā)現(xiàn)，也有利于薄膜錳氧化物在包括高密度非易失性存儲(chǔ)器在內(nèi)的電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。2.1.4納米材料目前統(tǒng)的基于電荷的存儲(chǔ)器正接近其擴(kuò)展極限。在這種情況下，未來(lái)非易失性存儲(chǔ)器（NVM）的發(fā)展引起了廣泛的關(guān)注。具有簡(jiǎn)單的金屬/絕緣體/金屬（MIM）三明治結(jié)構(gòu)的期望隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RRAM）是新興的NVM技術(shù)之一。并且與其他同類產(chǎn)品如相變RAM（PRAM）、磁阻RAM（MRAM）、閃存和鐵電RAM（FeRAM）相比，它具有更快的寫入速度、更低的操作功率、更高的耐用性、優(yōu)異的可擴(kuò)展性（超過(guò)10nm的特性尺寸）和多狀態(tài)存儲(chǔ)器。在各種金屬氧化物、有機(jī)分子、聚合物、石墨烯氧化物和11納米復(fù)合材料中觀察到了電阻開關(guān)現(xiàn)象。氧化鋅是一種寬直接禁帶II–VI半導(dǎo)體，具有豐富的氧空位。這有助于形成絲狀導(dǎo)電路徑。已經(jīng)報(bào)道了ZnO基器件中的電阻開關(guān)。為了研究ZnO基電阻存儲(chǔ)器的可擴(kuò)展性，低維器件的制造和表征是必要的。半導(dǎo)體納米線（SNW）作為一種低維結(jié)構(gòu)，具有豐富的表面態(tài)和較大的表面積，優(yōu)異的機(jī)械柔韌性，共振光吸收，載流子限制誘導(dǎo)帶隙，等等。在各種SNW器件中都觀察到了電阻開關(guān)現(xiàn)象。摻鎵氧化鋅單納米線器件中的電流自整流電阻開關(guān)，這意味著該器件在低電阻狀態(tài)下具有固有的整流特性。2011年，He等工作者[24]研究表示在室溫下通過(guò)設(shè)置順應(yīng)電流（ICC）的條件在單Ni/NiO核殼納米線中實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器和閾值電阻開關(guān)（RS）的控制交替。存儲(chǔ)器RS由高ICC觸發(fā)，而閾值RS通過(guò)設(shè)置一個(gè)低的ICC出現(xiàn)，復(fù)位過(guò)程在不設(shè)置一個(gè)ICC的情況下實(shí)現(xiàn)，充分討論了記憶和閾值RS的物理機(jī)制，并將其歸因于氧空位（Vo）鏈狀導(dǎo)電燈絲的形成和電場(chǎng)在不形成導(dǎo)電燈絲的情況下引起的擊穿，由于Vo-Vo相互作用，在能量上有利于形成導(dǎo)電鏈而不是隨機(jī)分布，從而導(dǎo)致非易失性從關(guān)態(tài)切換到開態(tài)。在重設(shè)過(guò)程中，大焦耳加熱通過(guò)破壞Vo-Vo相互作用，從而破壞負(fù)責(zé)從開-關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的導(dǎo)電細(xì)絲，從而重新排列氧空位。2015年，Bai等人[25]發(fā)表了一篇文章提出了一種以單層石墨烯為邊緣電極的兩層三維RRAM。其通過(guò)電學(xué)結(jié)果表明，這種極薄的邊緣電極可以在納米尺度上實(shí)現(xiàn)RRAM器件的正常開關(guān)。同時(shí)，利用肖特基勢(shì)壘在金屬/碳納米管和氧化物/碳納米管界面上誘導(dǎo)的非對(duì)稱載流子輸運(yùn)，成功地制備并表征了一種以碳納米管為邊緣電極的選擇內(nèi)置3D-RRAM結(jié)構(gòu)。他們?cè)谶@項(xiàng)研究中，三維RRAM與石墨烯或碳納米管邊緣電極演示，探索垂直和水平的可擴(kuò)展性。在垂直方向上，制備了以單層石墨烯為邊緣電極的雙層3D-Ta2O5-x/TaOy-RRAM電池。3D-RRAM電池在亞納米電極厚度下可以正常開關(guān)。在水平方向上，采用帶半導(dǎo)體CNT邊緣電極的3D-Ta2O5-x/TaOyRRAM實(shí)現(xiàn)了無(wú)選擇層。在這種情況下，在CNT/Sc和CNT/TaOy觸點(diǎn)處形成的肖特基勢(shì)壘用作內(nèi)置選擇器，并且在實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)不同邊緣電極材料的高密度應(yīng)用潛力進(jìn)行了評(píng)價(jià)。2015年，由于電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RRAM）是最有前途的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)之一，因?yàn)樗泻艽蟮臐摿θ〈鷤鹘y(tǒng)的電荷型存儲(chǔ)器，而電荷型存儲(chǔ)器正接近其擴(kuò)展極限。為了充分發(fā)揮RRAM的潛力，開發(fā)一種獨(dú)特的電流自校正器件非常重要，它提供了一種解決方案來(lái)抑制縱橫制陣列中的潛在電流，并提供了消除電流限制器的自順應(yīng)性。Wang等課題小組成員[26]研究了摻鎵氧化鋅單納米線器件的自整流電阻開關(guān)；摻銻單納米線器件的電流不僅是自整流的，而且是自順應(yīng)的。采用不同的設(shè)定電壓，實(shí)現(xiàn)了摻銻氧化鋅單納米線器件的多級(jí)電阻開關(guān)。此外，Ga和Sb的加入大大縮小了開關(guān)電壓的分布范圍。第三章結(jié)論與展望3.1結(jié)論從內(nèi)存設(shè)備的簡(jiǎn)要回顧開始，給出了RRAM設(shè)備的基本概述。討論了RRAM器件的基本工作原理、主要性能參數(shù)、以及提高RRAM器件電阻開關(guān)特性的一些重要因素。面臨的困難和挑戰(zhàn)包括理解電阻開關(guān)機(jī)制和確定如何改善特性。雖然取得了一些優(yōu)秀的進(jìn)展，但是許多重要的工作仍在進(jìn)行中，還需要做更多的工作去提高它的性能。需要一類在成分控制和與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝兼容方面具有壓倒性優(yōu)勢(shì)的材料，特別是在實(shí)際應(yīng)用中的耐久性和保持性。應(yīng)更多地關(guān)注新技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更快的編程/擦除、更高的可擴(kuò)展性、更低的功耗、多級(jí)存儲(chǔ)和更低的成本。特別地，需要在選擇合適的電極材料、利用嵌入絕緣層中的納米晶體或金屬離子等材料來(lái)制造器件方面進(jìn)行工作。3.2展望隨著相關(guān)研究人員對(duì)RRAM研究的不斷深入和鉆研，相關(guān)性能指標(biāo)以及材料成本都在不斷優(yōu)化，我相信一定可以可以找到最適合阻變存儲(chǔ)的材料。（1）對(duì)通用的開關(guān)機(jī)制還沒有完全的了解。詳細(xì)了解電阻開關(guān)的開關(guān)機(jī)制是一個(gè)迫切的需要。新技術(shù)和新型結(jié)構(gòu)的RRAM器件仍處于研究階段；需要證明更多的電阻開關(guān)特性。通過(guò)不斷的工作，我們相信電阻開關(guān)RRAM器件將成為一項(xiàng)突破性的技術(shù)，并在未來(lái)的非易失性存儲(chǔ)器應(yīng)用中取得成功。（2）國(guó)內(nèi)外眾多科學(xué)家做了大量研究，找出屬于優(yōu)良的材料，根據(jù)它的屬性，做出來(lái)適合的優(yōu)良模型，未來(lái)可以投入生產(chǎn)。（3）材料的優(yōu)良性，根據(jù)加入氧化物等材料，改變物質(zhì)的屬性，從而讓它做出來(lái)的存儲(chǔ)器的性能更加優(yōu)良。（4）目前雖然存在很多問(wèn)題，但是我相信在眾多研究人員的探索下，未來(lái)RRAM必然可以投入生產(chǎn)進(jìn)入大眾的生活。參考文獻(xiàn)[1]HickmottTW.Low-frequencynegativeresistanceinthinanodicoxidefilms[J].JApplPhys,1962,33(9):2669?2682.[2]AylingJK,MooreRD,TuGK，Ahigh-performancemonolithicstore[J].February，1969，19（21）：36-37.[3]DearnaleG,StonehamAM,MorganDV.Electricalphenomenainamorphousoxidefilms[J].RepProgPhys,1970,33(11):1129?1191.[4]JaganSinghMeena,SimonMinSze,etal.Overviewofemergingnonvolatilememory.technologies[J].NanoscaleResearchLetters，2014,9（526）:6687-6690.[5]AylingJK,MooreRD,TuGK，Ahigh-performancemonolithicstore[J].February，1969，19（21）:36-37.[6]AsamitsuA,TomiokaY,KuwaharaH,etal.Currentswitchingofresistivestatesinmagnetoresistivemanganites[J].Nature,1997,388(6637):50?52.[7]KozickiMN,YunM,HiltL,etal.Applicationsofprogrammableresistancechangesinmetal-dopedchalcogenides[J].Solid-StateIonicDevices,1999,99(13):298?309.[8]KimYT,KimS.ComparisonofthermalstabilitiesbetweenGe-Sb-TeandIn-Sb-Tephasechangematerials[J],AppliedPhysicsLetters,2013.103(12),183501.[9]Shulaker,MM,Wu,TF.,Sabry,MM,etal.Monolithic3Dintegration:apathfromconcepttoreality[J],Proceedings-Design,AutomationandTestinEurope,709(2569):1197-1202[10]SunX,GerlachJW,LotnykA,etal.Nanoscalebipolarelectricalswitchingof.Ge2Sb2Te5phase-changematerialthinfilms[J],AdvancedElectronicMaterials,2018.2017(12):1700283.[11]李乃峰.二硫化鉿阻變存儲(chǔ)器的阻變機(jī)理研究及憶阻性能優(yōu)化[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2020.[12]LiYT,LongSB,LvHB,etal.InvestigationofresistiveswitchingbehavioursinWO3basedRRAMdevices[J].\hChinPhysB,2011,20(5):017305.[13]KozickiMN,BalakrishnanM,GopalanC,etal.ProgrammablemetallizationcellmemorybasedonAg-Ge-SandCu-Ge-Ssolidelectrolytes[J].IE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