阻变随机存储器RRAM综述

1、精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载阻变随机存储器（RRAM）综述目 录？11 RRAM 技 术 回顾？12RRAM 工作机制及原理探究？4 RRAM基本结构？4RRAM器 件 参数？6RAM 的 阻变行为分类？7 阻变机制分类？9 电化学金属化记忆效应？11 价态变化记忆 效应？15 热化学记忆效应？19争电/ 电子记忆效应？2洞 变存储记忆效应？24 磁阻记忆效应？26 铁电隧穿效应？2精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载RRAM与 忆 阻器？30 3 RRAM 究 现 状 与

2、 前 景 展 望？33RRAM图 3.RRAM存储器矩阵的单元电路图。图（a） 为无源电路，图（b）为有源电路。 矩阵也可以采用有源单元设计，如图3所示。晶体管来控制阻变元件的读写与 擦除信号可以良好隔离相邻单元的干 扰，也与CMOS工艺更加兼容。但这样 的单元设计无疑会使存储器电路更加复 杂，而晶体管也需要占据额外的器件面 积。 RRAM中的阻变元件一般采用 简单的类似电容的金属-介质层-金属结 构，两层金属电极包夹着一层介质材料 构成。金属电极材料的选择可以是传统 的金属单质，如Au、Pt、Cu、Al等，而 介质层材料主要包括二元过渡金属氧化 物、钙钛矿型化合物等，这在后文将会 更加详细地

3、讨论。于对RRAM器件的研 究主要集中在对电极材料以及介质层材 精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载 2=精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载=料的研究方面，故而往往采用如图4所示的简单结构，采用传统的硅、氧化硅 或者玻璃等衬底，通过依次叠合的底电 极、介质层、顶电极完成器件的制备， 然后于顶电极与底电极之间加入可编程 电压信号来测试阻变器件的性能，这样 的简单结构被大多数研究者所采纳。而 简单的制备过 5程和器件结构也是RRAM被认为具有良好的 应用前景的原因之一。图4,应用于RRAM器件研究的MIM结构。通过 在顶电极和底电极之间施加电

4、压信 号来研究 RRAM 器件的工作情况。RRAM器件参数 基于以往对 DRAM、SRAM、Flash等存储器器件较 为成熟的研究经验，RRAM 器件的 参数可以如下归纳总结并加以展望28: 1.写操作参数Vwr, twr Vwr为写 入数据所需电压。与现代CMOS电路相 兼容，RRAM的Vwr的大小一 般在 几百mV至几V之间，这相对于传统需 要很高写入电压的 Flash器件来说有较精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载=精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载=大优势。twr为写入数据时间所需时间。 传统器件中，DRAM、SRAM 和 Flas

5、h 的twr分别为100ns、10ns和10us数量 级。为了与传统器件相比显示出优势， RRAM的twr期望可以达到100ns数量 级甚至更小。2.读操作参数Vrd, Ird , trd 6Vrd为读取数据所需电压。为了避免读操作对阻变元件 产生影响，RRAM的 Vrd值需要明 显小于Vwr o而于器件原理限制，Vrd 亦不能低于Vwr的1/10。Ird为读操作所 需电流。为了使读取信号能够准确快速 地被外围电路的小信号放大器所识别， RRAM的Ird不能低于1uA。trd为读操 作所需时间。RRAM 的trd需要与twr 同等数量级甚至更小。3.开关电阻比值 ROFF/RON ROFF 和

6、 RON 分别为 器件处于关态与开态时的元件阻值。尽 管在MRAM 中，大小仅为的 ROFF/RON亦可以被应用，对RRAM的 ROFF/RON一般要求至少达到10以上， 以减小外围放大器的负担，简化放大电精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载路。4.器件寿命器件寿命指器件能够正常维持工作状态的周期数目。一 般而言，NVM器件的工作寿命希望达到 1012周期。因此，RRAM的器件寿命期 望可以达到同等甚至更长久。5.保持时 间tret tret指存储器件长久保存数据信息的时间。对RRAM而言，数据一 般需要保

7、持10年甚至更久，而这过程中 也需要考虑温度以及持续的读操作电压 信号的影响。以上介绍了 RRAM的几个主要性能参数。各个参数之间看似相互独立，但事实上各项之间却 有着相互制约的关系，比如 Vrd与Vwr的比值事实上被tret和trd所限制28。故而寻求高密度、低功耗的理想 RRAM器件，需要从各个性能参数的角度共同考虑，寻求最佳的平衡点。RRAM的阻变行为分类7RRAM的阻变行为主要体现在其电流 - 电压曲线上。根据大量研究经验表明， 基于不同材料的RRAM器件，其器件特 性是有很多细节上的差别的，不过粗略 精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载 5 =精选公文范文，

8、管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载=地按照电流-电压曲线来区分，RRAM的 阻变行为可以分为单极型和双极型两大 类。这主要是阻变行为出现时施加的电 压极性及大小所区分的。而具体引起阻 变行为的本质原因并没有非常确凿的定 论，我们会在随后的章节中对其进行介 绍、分析和讨论。典型的单极型RRAM阻变行为的电流-电压曲线如图 5(a)所示，阻变行为并不依赖于施加电压 的极性，而表现出单极型阻变行为的 RRAM器件也往往是上下电极对称的 MIM结构。一般地，于单极型循环阻变 IV曲线不依赖于极性，故而我们只关注 正向扫描周期。如图 5(a)所示，假设初 始RRAM器件位于开态，则当电压达

9、到 复位电压时，复位过程发生，器件迅速 变为高阻态，即关态。此时继续正向扫 描或者从零电压重新开始扫描，器件都 会继续维持在关态，直到器件达到了置 位电压，器件会关态变为开态重新导通。以上循环过程可以不停重复直至 RRAM 器件失效。在单极型阻变行为的置位过精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载程中，电流大小必须限制电流值 cc加以 控制，否则将会导致器件发生不可恢复 的击穿。而复位过程发生的电压低于置 位电压，而复位过程时的临界电流要高 于限制电流值 cc图5.典型的（a）单极型和（b）双极型阻变 行为示意

10、图。cc是为了防止器件击穿而 设置的限制电流。单极型阻变行为并不依赖于施加电压极性，而双极型阻 变行为的置位和复位过程会分别在施加不同极性的电压时产生。典型的双极型RRAM阻变行为的电流-电压曲线 如图5（b）所示，阻变行为的置位与复位 过程分别在不同极性的偏压下发生。根 据以往研究的资料，虽然这样的阻变行 为一般非对称的MIM结构所表现，但事 实上，很多对称结构的MIM结构器件亦 表现出了双极型的特性30,31,对这种 现象的一个较为合理的解释为：一般RRAM器件需要一个初始化的形成”过 程来建立后续重复性的阻变行为，而这 个 形成”过程所加的电压极性也一定程精选公文范文，管理类，工作总结类

11、，工作计划类文档，感谢阅读下载 7 精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载度上决定了后续的阻变行为。如图 5(b) 所示，为了防止器件在置位过程中突然 产生的高额电流击穿器件，双极型 RRAM的置位过程同样需要一个限制电 流cc的保护。除了典型的单极型和双极型，如果某RRAM器件可以在这 两种类型的阻变行为之间进行转化，这 样的阻变行为被称为无极型32,33 o事 实上，对RRAM进行阻变行为的分类只 是基于电流-电压曲线的表现，而于电极 材料和介质材料的不同，即使是同种类 型的阻变行为仍可能反映了几种截然不 同的阻变机制，因此，仅从阻变行为并 无法对RRAM进行更加深

12、入的了解，在 后文中即将介绍RRAM更加本质性的阻 变机制。9阻变机制分类图6所示，根据R. Wase由勺归纳总结2有相当多的物理机制可以造成非易失性 的阻变现象，包括纳米机械记忆效应、分子阻变效应、静电/电子记忆效应、电精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载化学金属化记忆效应、价变记忆效应、 热化学记忆效应、相变记忆效应、词组 记忆效应以及铁电隧穿效应等。尽管这 些情形都是电致激发的阻变现象，其原 理彼此相比却有相当大的不同。当然， 阻变机制的分类并不是固定的，根据分 类判据的不同，RRAM的阻变机制也可

13、分为细丝导电理论与界面阻变理论；电 极决定的阻变与介质层决定的阻变；单 极型与双极型阻变；基于氧化还原反应 与其他物理化学反应的阻变等。本节内 容将采用图6中所示的详细分类，按照 理论的流行程度介绍除纳米机械记忆效 应和分子阻变效应之外的其他七种常见 阻变机制，力求较为全面地概括现阶段 解释阻变机制的各种工作，给读者以全 面的认识。10图6. R. Waser提出的阻变机制分类方 法，列出九种较为常见的阻变记忆效应， 且对九种机制进行了简单地划分28。其中静电/电子记忆效应和电化学金属化记忆效应是电极材料所决定的,精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载9精选公文范文，管

14、理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载价变记忆效应、热化学记忆效应、相变 记忆效应是介质层材料所决定的。基于 静电/电子记忆效应、电化学金属化记忆 效应和价变记忆效应的RRAM阻变行为 一般表现为双极型，基于热化学记忆效 应和相变记忆效应的RRAM 一般表现为单极型。另外，电化学金属化记忆效应、 价变记忆效应和热化学记忆效应是基于氧化还原反应的28化学金属化记忆效应电 电化学金属化效应可简写为ECM效应，也被称作导 通桥联效应或者可编程金属化效应。作 为RRAM器件，单个ECM单元也是简 单的MIM结构构成，其中一个金属电极 为电化学活性金属材料，如 Ag、Cu或 者Ni,另外一个金属

15、电极为惰性金属电 极，如Pt、Ir、W或者Au,中间的介质 层为固体电解质11材料，可以允许金属离子在介质层中迁 移。 基于C. Schindler在34中的 研究报道，图7为一个典型的ECM单元 工作原理示意图。在初始情况下，ECM精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载 10=精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载=单元处于如图7(D)所示的关断状态。当 活性阳图7. C. Schindler报道的Ag-GeSe-Pt结构阻变机制示意图。该 结构表现出明显的基于 ECM效 应 的阻变行为。A)置位过程B)开态C) 复位过程D)关态的原理示意图分

16、别如 图所示。可以看到ECM单元的开启与关 断是基于Ag+离子在固态电解质层中的 沉积与溶解，导致导电细丝的形成与破 坏34 极，如本例中的 Ag电极， 施加正电压，会有 Ag+离子开始沿着电 场方向在电解质内向惰性阴极方向迁 移。当Ag+离子接触到惰性阴极时得到 电子被还原，于是沉积在惰性电极表面。 一旦开始有Ag颗粒沉积于阴极表面，电 解质内的电场分布发生变化，Ag沉积处 的高电场会导致更多 Ag+离子迁移至此 并被还原，于是逐渐形成一条阴极通向 阳极的细丝，如图7(A)所示，在导电细 丝完整形成的瞬间为置位过程，此时 ECM单元的阻态迅速高阻变为低阻。最 终，电流细丝流过，12精选公文范

17、文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载11精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载ECM单元达到开启状态，如图7(B)所示。 而此时当Ag电极加反向电压，会导致导 通细丝的溶解破坏，即复位过程，如图 7(C)所示，此时ECM单元的阻态迅速低 阻变为高阻。最终器件达到关断状态， 如图7(D)所示。于附图仅是示意图，在 实际情况中导通细丝在关断状态下并不 一定完全消失，更多的研究工作认为 ECM单元在复位过程之后仍有残留的导 电细丝存在，这也解释了为何ECM单元 初始化所需的形成”电压要高于之后工 对于ECM单元而言，第一周期形成导电 细丝需要更高的电压，相比而

18、言后续周 期的置位电压较小且保持稳定35。而图作中置位所需的电压。如图(a)所示,(b)所示，导电细丝的形成电压是依赖于介质层厚度的，其与介质层厚度的线性 相关关系可以推测，导电细丝的形成是 一个介质层内电场所决定的过程：金属离子在足够的电场下阳极迁移至阴极， 并沉积形成导电细丝。而后续周期的置 位电压并不依赖于介质层厚度，说明细 精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载 12=精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载=13丝在复位过程的溶解程度基本为一个固 定值，这不随着样品的介质层厚度而改 变，故而再次置位恢复导电细丝时所需 的电场亦为固定值。而

19、这样的研究现象 不禁引出一个问题：当介质层足够薄时, 后续的置位电压是否就会开始随样品厚 度而改变？这样 ECM单元的工作电压 也会随介质减薄而减小，从而降低了功 耗。这个假设还需要进一步的工作去证图 8. a)细丝形成周期的细丝形成电压与后续周期的置位电压比较。b）细丝形成电压与只为电压的薄膜厚度依赖情况。其 中VSET为置位电压，VSET,form为初 始化周期的细丝形成电压。35 以 上的分析可见，在开启状态时ECM单元 的导通是通过迁移的阳极离子沉积形成 导电细丝，进而通过细丝完成导电过程， 这样的导电细丝理论也被实验所证实。 如图9所示，ECM单元的导电细丝早在 上世纪七十年代就已经

20、在许多实验工作 中所观测36,这也成为RRAM器件细精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载 13 =精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载=丝理论最早的判据。事实上，于 RRAM 导通状态所基于的导电细丝直径仅为几 nm甚至更小，根据实验观测，一般而言， 基于细丝导电的RRAM器件，其开态电 流大小是不依赖于电极面积的，这也使 得RRAM的微缩化具有相当可观的前 景，成为新一代NVM器件竞争中的黑 马。为了提高基于 ECM效应的RRAM器件性能，一种可行的方法是通 过向固体电解质层内溶入可迁移的金属 离子来实现，最广泛采用的便是Cu离子 和Ag离

21、子。具体的溶解过程可通过金属 离子在固体电解质内的光致或者热致扩 散来实现，而固体电解质一般为硫化物、 硒化物、硫化物此类氧族化合物。这应 用了金属离子在此类化合物中的高迁移 率以及介质层非晶结构造成的低激活 能。不过，当化合物内溶解掺入的金属 离子浓度较高，就会产生额外的化合反 应。比如，在 GeSe阵列中掺入2at%以 下的Ag,几乎所有的Ag会以离子形态 在GeSe中迁移，但在 14精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载 14 精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载图 9, a)GeSe阵列中掺Ag的示意图。在GeSe阵列构 成的固体电解质

22、中掺入较多原子数百分 比 的Ag金属将会形成Ag2Se导电 颗粒。b)基于Ag2Se颗粒和Ag粒子所构成的导电细丝示意图。37 加入 更多如40at%的Ag时，Ag离子会与Se 反应生成20at%的58nm直径的Ag2Se 粒子37。事实上，如图9所示，虽然Ag2Se粒子为导电晶体，且仍分散分布 在GeSe阵列中，于是此时该系统仍然维 持ECM的特征，只是现在 Ag离子在Ag2Se粒子之间搭建导通细丝而非在整 个介质层内形成导电细丝，于是可以减 小初始细丝形成以及后续置位过程需要 的电压和细丝建立时间。而在这种情况下，在Ag电极表面增加一层 GeO2扩散 阻挡层可以有效地抑制细丝未建立时的 漏

23、电大小。因此，在固体电解质中掺入 合适浓度的易迁移金属离子可以有效地 提高ECM单元的工作性能。需要精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载15精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载注意的是，并不是所有以 Ag、Cu等为 电极的RRAM器件都是基于ECM工作 原理。事实上，过去一度认为Cu/Cu-tetracyanoquinodimethane(TCNQ)/Al结构的阻变现象是源于 Cu离子迁移 造成的ECM效应，直到后续工作证明该 结构的阻变特性是于Al电极表面的薄层 金属为电极的RRAM器件的需要格外注 意，具体的阻变机制需要更多实验去验氧化层

24、所致38因此，对于以Ag、Cu证。 15价态变化记忆效应价态变化记忆效应可以简写成VCM效应。与ECM效应不同，VCM 效应并不需要一个活性电极与一个惰性 电极的搭配，而是首要依赖于所选的介质层材料。大部分具有VCM效应的RRAM单元采用金属氧化物作为介质 层，如钙钛矿型化合物，而一般介质层 内存在着大量的氧的空位，这使得氧离 子在偏压的作用下会产生迁移运动，习 惯上通过氧空位的迁移来描述。而与此 同时介质层内的金属阳离子一般相当稳精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载 16 =精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载=定，这就使得氧空位在阴极附近

25、的积累 使得该区域的金属阳离子易于发生价态 的改变，进而导致电阻特性的变化。因 而把这种效应成为VCM效应。接下来我 们以基于钛酸锅的 VCM单元为例介绍 这种阻变机制。SrTiO3 一般可分相互连结的TiO2和SrO子晶格，而TiO2 与SrTiO3的电学特性最为相关。在转移 金属氧化物中，晶格失配是一个普遍现 象。没有固定的化学计量比也导致此类 介质层中存在着混合的金属价态。TiO2 和SrTiO3中的Ti离子就很容易被氧空 位或者其他金属阳离子等浅施主还原成 Ti粒子，于是TiO2和SrTiO3都表现出 n型导电特性，也就是电子导电特性。就 SrTiO3而言，其内部阳离子在1400K温

26、度以下很难发生电致迁移运动，而氧离 子的迁移则容易的多。因而SrTiO3内的 电致迁移运动一般以氧空位来描述，而 每个氧空位可以看做是可以提供两个价 电子的施主。SrTiO3这类钙钛矿型的化 合物并没有确定的化学计量比，其内部精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载17=精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载=的氧空位浓度可以通过在 Texch阈值温度之上、在一定气压的O2气氛当中退火来调节。具体方程式如下所示28:(1)16其中和 分别指的氧离子和氧空位。而 Texch指的是这样的阈值温度：在该温度 之上, 氧空位浓度可以随外界气氛中的氧分压 而

27、改变；而在此温度之下，氧空位浓度 基本为恒定值。当SrTiO3内氧空 位的浓度很低时，该结构可以看作是化 学计量配比合适的晶体，内部包含极为 少量的点缺陷。而一旦氧空位浓度增加， 各个氧空位的排布倾向于相互连接积累 组成线缺陷39,如图10所示。这样的 线缺陷便形成了短程的通路，为整个阻 变通路的形成创造了条件，氧离子沿着 缺陷形成的路径得以快速地迁移。 接下来，借助SrTiO3为例详细讲解基于 VCM效应的阻变过程。作为 RRAM器 件，VCM单元也是基于 MIM 结构。于 介质层内缺陷的存在，为氧空位的迁移 创造了条件。当在VCM单元的电极之间精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文

28、档，感谢阅读下载 18 精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载加以偏压，便会引起氧空位在介质层内 的迁移。如图11(a)所示，当偏压比较低 时，氧离子的迁移比较弱，并不能显著 引起介质层内氧空位的浓度改变，此时 氧空位的扩散和迁移仍可维持一个准平 衡的状态。不过，当偏压上升，如图11(b) 所示，介质层内氧空位的浓度分布则会17图 10. SrTiO3 晶格的HRTEM图像和示意图。着重突出了 晶格中的线缺陷。39图11在a)较低偏压与b)较高偏压下受主 掺杂的SrTiO3中氧空位的浓度分布随 样品深度的变化。40发生相当显著的变化，大量氧空位在偏压驱使下聚 集于阴极附

29、近，而阳极附近则呈现氧空 位耗尽的情形40。但此时，阳极氧离子 的移动并没有结束，据报道表明41,此 时阳极的氧离子会失电子并产生 O2气 泡，与此同时，阴极的金属氧离子则被 还原，价态发生改变，从而改变阴极附 近介质层的导电性。一般地，阴极附近 的区域高阻态趋向于低阻态，这相当于精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载19精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载阴极的范围扩散到介质层的阴极附近区域，这一块区域被称作 实际阴极区 于是随着偏压升高，氧空位向阴极迁移，实际阴极区的范围逐渐扩大，最终接近阳极，使VCM单元整体变为低阻图)VCM单元阻变原理

30、示意图。b)基于VCM效应的电 流-电压曲线。该曲线基于Pt/STO-Nb/STO 结 构。42图13.基于Nb掺杂的SrTiO3介质层的VCM单元其开启电流和关断电流对面积的依赖。28态，如图12(a)所示。基于VCM效应的电流-电压曲线 如图12(b)所示。于VCM行为主要氧空 位在偏压下的迁移导致，因此该效应表 现出明显的双极型特性，置位和复位过 程分别发生于反向和正向偏压的情况 下。 19静电/电子记忆效应与前面所提到的几种基于离子迁移而发精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载 20 =精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载=生的阻变机制

31、不同，静电/电子记忆效应 是完全基于电子的阻变行为，对于该种 阻变机制也有几类比较成熟的理论。载流子捕获模型就是一种基于静电/电子 记忆效应的阻变解释45。在介质层内存 在着重金属杂质或者深能级缺陷时，高 电场的施加会导致载流子在深能级通过 Fowler-Nordheim(FN)隧穿导通，并且部 分被缺陷或者金属粒子捕获。这种效应 改变了金属-介质层接触区域的电势分 布，因而改变了整个MIM单元的阻值。 另外，在金半接触位置表面态对载流子 的捕获也会明显影响肖特基势垒的高 度。另一类电子相关的阻变效应发生于 钙钛矿型氧化物，如(Pr,Ca,La)MnO3和 SrTiO3:Cr,对于此类介质层载

32、流子是以 掺杂的形式进行注入的。基于实验结果， M. J. Rozenberg等人对该机制进行了模 拟探究，结合Mott转移特性得到了吻合 的模型46,如图16所示。在该模型中 将钙钛矿型氧化物介质层的分为上中下 三部分，上下区域为电极与介质层接触精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载 21 精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载的界面，而体积最大的中间部分为介质 层的体部。在该模型中，体部为完全无 离子迁移模块，考虑了缺陷、晶粒、晶 向边界等微观细节，载流子只通过隧穿 完成导通，于是载流子的转移完全依赖 于隧穿几率。 综上可知，基于静电/ 电子

33、记忆效应的RRAM器件一般是通过 电子的注入对接触势垒或者内部缺陷造 成改变，从而使整体阻值发生变化。于 是，基于该效应的RRAM器件其开启电 流和关断电流都是明显地依赖于电极面 积的。 25图16.a）针对高电子相关的钙钛矿型化合物介 质层的模拟模型示意图，该模型将介质 层分为顶部区域、中间区域和底部区域分别进行分析。b）基于左图模型结 合Mott转移效应模拟得到的电流电压曲 线46。 内置图为基于 Au/SrTiO3/SrRuO3的实际实验测量数据 13。可以看到模拟曲线与实际曲线良好 地吻合。相变存储记忆效应相变存储记忆效应可以简写为PCM效精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文

34、档，感谢阅读下载 22精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载应。事实上，基于PCM效应的存储器通 常被叫做相变随机存储器，其工作原理 来自于材料相变带来的特性转变，非常 典型的一点就是介质层阻值的变化，这 与RRAM机制有共通之处。典型的PRAM工作原理介绍如图17所示。 正如图中所介绍，与TCM的工作原理类 似，PCM也是一种温度导致的物相变化 效应。复位过程，也就是低阻态变为高 阻态的过程，是将材料加热至熔点以上 并迅速冷却，此获得非晶相的材料。置 位过程，也就是高阻态变为低阻态的过 程，是将材料加热至结晶点以上，使材 料的晶格结构得到恢复。于是，如果需 要用电流控

35、制PCM,需要使用另外一个 元件调节流过PCM单元的电流大小，以 使PCM单元达到相变需要的温度。26图17. PCM器件的工作原理示意图。a）短促高能激光束或 者高能电流脉冲在熔点之上加热相 变材料。b）以109Kzs的速度快速冷却已 熔解的液态材料，使其进入无序非晶相。精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载23精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载这个非晶相将在光学特性以及电阻特性 等与结晶相有巨大区别。该步骤相当于 在存储器内写入信息。C）为了擦除信息， 采用低能激光或者电流脉冲，在高于结 晶点的温度下加热材料，时材料快速结 晶成为结晶相。

36、47上所述，具有PCM效应的材料需要具有如下特点 48: 1.在物相之间的迅速转换。这体现在晶体的结晶速度和熔解速度上；2.非 晶相的热稳定性。这需要材料的非晶态 不会在常温常压下结晶，这决定了存储 器件的数据保持能力。3.结晶相与非晶 相具有显著的电学、光学差别。这决定 了提取信息的难易程度。4.材料结构的 稳定性。这决定了存储器的工作寿命基于以上要求，现阶段研究较为成熟的 一批典型的相变材料位于以 Ge、Te Sb相变材料如图1所示49。据实验研究,组成的元素三角形中，共可以区分为三 大类，在图中用阴影标出。第一类为位 于图中GeTe-Sb2Te3连线上的材料，如 GeSb2Te4和Ge2

37、Sb2Te5另夕卜两类为Sb精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载24精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载掺杂的材料，如 GexSb1-x和Sb2Te这 三类材料都表现出相变的特性。另外， 将GeSbTe中的Ge替换为Si或者Sn,Sb替换为As或者Bi亦可以表现出相变图18.特性。 27典型的相变材料分布示意图。 虽然基于PCM效应的存储器件已经进 行过大规模生产尝试，但基于相变的存 储性能仍面临许多困难。理论上PCM器 件的工作周期可以达到1012周期甚至更久，但实际的大规模阵列，其工作寿命 方面的问题：一方面，经过长期持续的工 作之后，材

38、料内部以及界面位置相变造 成不可逆的结构变化甚至产生孔洞，材 料内的通路被破坏；另一方面，在长期 的相变过程中，构成材料的元素不可避 免地发生分凝，持续的分凝导致器件电 阻率的漂移，直至最后器件无法关断， 处于永久的低阻状态。另外，为了制备 高密度的PCM单元阵列，如何控制相变 在微小范围内的发生也是一个亟待解决只能达到108-109周期。这主要包括两精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载25精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载的问题磁阻记忆效应大型磁阻现象可以简写为CMR现象，最早在 钙钛矿型化合物中被观测到，主要表现 为钙钛矿型化合物在磁场

39、中电阻率发生 的变化，该现象也被应用于MRAM的应 用当中。CMR现象主要发生在水镒矿化 合物AMnO3当中，其中Mn为Mn3+、Mn4+离子，O为O2-离子，而A可以是 +3 价的 La3+图19. a)单个垂直CMR单元结构示意 图，采用依次叠合的厚薄磁性材料。51b)CMR单元的典 型电阻-磁场强 度曲线。52 Pr3+、Nd3+、Sm3+ 或+2 价的 Ca2+、Sr2+、Ba2+离子，一 般磁阻材料，A位采用二价R离子与三 价M离子的混合得到的高无定形 MnO3化合物。如图19(a)所示为一个垂直结构 的CMR单元示意图，采用依次叠合的磁 阻材料构成，而垂直结构也的制备工艺 也更加易

40、行51 o 19(b)为CMR单元典型 的阻值-磁场强度曲线，可以看到在磁场 的作用下，CMR单元表现出可控的阻值 精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载 26精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载转变52。 MRAM存储器利用了水 镒矿化合物在磁场下表现出的阻值变 化，而S. Q. Liu等人首次发现了水镒矿 化合物(PCMO)在无磁场的情况下利用 电学脉冲达到的阻值变换53,于其可控 制、非易失的特点，因而可以投入到了 RRAM的应用当中54 o如图20所示， 图(a)和图(b)分别为使用脉冲激光淀积和 溅射-旋涂结合的方法制备的基于PCMO

41、 磁阻材料的RRAM单元。基于以上的尝 试工作，在近几年，包括水镒矿在内的 多种钙钛矿型化合物材料被发现表现出 阻变特性，并被归类至前文所述的 VCM、TCM及经典/电子效应等阻变机 制当中。而于钙钛矿型化合物复杂的结 构特性，更多物理本质还值得研究者进 一步地探寻。29图20. a)采用PLD法 制备的基于PCMO()介质层的阻变单元 结构。其中顶电极为 Au,底电极为 YBC(YBa2Cu3O7)和 LAO(LaAlO3)。b) 精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载 27 =精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载=采用旋涂法制备的PCMO存

42、储器，其中 顶电极和底电极为Pt, PCMO厚度 100nm200nm 之间。54铁电隧穿效应铁电隧穿效应基于铁电隧穿结，可以简写为FTJ。FTJ也是MIM的简单结构，采用金属作为顶电极 和底电极，而介质层为铁电材料。其电 流-电压特性所表现出的阻值变化主要 来自于介质层的铁电性质，也就是其材 料内部正负电荷在电场作用下表现出的 定向翻转，此，当FTJ的顶电极与底电 极之间施加不同方向不同大小的偏压， 于电场方向和强度的不同，介质层的特 性将会发生相应的变化，内部的正负电 荷发生不同方向不同程度的翻转。FTJ的工作原理如图21所示，铁电介质层带 来的特性共有 55:应力效应。如 21(a),当

43、介质层两侧施加电压，静电力 的作用会使压电材料产生电荷，而电荷 的存在会改变铁电层势垒的特性，如势 垒宽度和衰减常数等。静电效应。如 图21(b),对铁电边界电荷不完全的屏蔽精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载28=精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载=会使边界电荷层附近的电势和电荷产生 一定的分布，从而改变整个隧穿结的接 触电势，这个铁电层极化电荷产生的电 场叫做去极化电场。界面效应。如图 21（c）,以 BaTiO3/SrRuO3 的界面为例， 界面处Ti原子的位置变化将影响原子轨 道杂交，从而使对于铁电介质层不同的 极性方向，其隧穿几率

44、存在不同。30图21. FTJ结构和工作原理示意图。一个典型的FTJ金属- 铁电介质层-金属的MIM 结构构成。 铁电介质层带来的特性共有 a）应力效 应；b）静电效应，和c）界面效应 当 考虑了铁电层的盈利效应、去极化电场 效应和界面效应之后，FTJ的电流电压 特性便会表现出阻变的现象56。去极化 电场效应往往以其对势垒高度的影响来 表示，因此单位为eV。如图22所示， 图a）图b）图c）分别表示去极化电场效应 的影响为，和时FTJ表现出的电流-电压 特性，且其模型为基于Pt/Pb（）O3/SrRuO3 的非对称结构；图d）为不考虑去极化电精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感

45、谢阅读下载29=精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载=场时的电流-电压特性，其模型为对称结 构。可以看到，非对称结构虽然牺牲了 负向的IV阻变特性变化，但其正向的阻 值比相对于对称结构却有较为明显的提 高，因而更加适合作为存储器的应用。 然而，很显然，与典型的RRAM存储器 相比，其开关电流比远远小于其他竞争 者。综上，基于FTJ的阻变现象主要铁 电材料性质对电子隧穿几率的影响，因 此其阻变机制还要受到材料的铁电特性 限制，而铁电材料在长期工作之后的疲 劳现象也会一定程度上限制此类器件的 应用。 31图22.FTJ的电流-电压曲线模拟示意图。图a) b) c)基于非对

46、称Pt/Pb()O3/SrRuO3结构， 考虑了铁电应力效应和非极性电场，其 中非极性电场对势垒的影响分别为，,。图 d)只考虑了应力效应，且基于对称结构， 因而表现出对称IV曲线。 RRAM 与忆阻器忆阻器的概念是L. O.Chua于1971年作为新的基本电路元件 所提出，继人们已熟知的电阻、电容和精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载30精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载电感之后，成为第四种基本双端电路元 件57。然而，虽然Chua建立了符合逻 辑的理论假设和实验模型，但是当时在 物理界却并没有找到符合条件的无源器件作为支持，因而并未引起

47、人们的重视直到2008年惠普公司提出了RRAM 器件与忆阻器的共通之处58,59,并将RRAM 作为忆阻32器在物理界存在的实例，忆阻器这一概 念才引起了人们广泛的关注与讨论，甚 至已有研究者开始用忆阻器代替 RRAM的概念。Chua提出忆阻器的概念是因为如下四个物理量 一一电流i,电压 v,电荷q,磁通量小相互之间的关系。 排列组合可知，此四个物理量两两之间 共可能有六种相互关系，而其中五种已 被大家所熟知。除去已知的两种积分关 系Q(t)=、，另外三种关系分别定义了电阻、电容和电感。因此，只有剩下的一种关系未被定义，也就是磁通量与电荷的关系。如图 23所示， Chua提出了忆阻的概念将磁通

48、量和电荷精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载31精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载量二者加以联系，定义为d（|）=Mdq其中 M为忆阻值，从而完善了上述四个物理 量的相互关系。对于这个关系，可以看 到对于线性电路而言，其忆阻值为常数， 此时忆阻等同于电阻。而如果 M本身为 q的函数，将产生一个非线图23.四个基本双端器件：电阻、电容、电 感和忆阻，及他们之间的联系 33性电路。这样电路的i-v特性对于正弦输入信号将会产生一个频 率依赖Lissajous图57。而且任何非线 性的电阻、电容和电感的组合是没有办 法描述一个忆阻的功能的，因而忆阻

49、器 在电路里将发挥独特的非线性作用。但 遗憾的是，自忆阻器的概念被提出之后， 长久以来并没有发现合适的无源物理模 型，直到惠普公司提出RRAM与忆阻器 之间的联系。如图24所示，D. B. Strukov 等人将忆阻器的电压驱动模拟结果同 RRAM器件的电流电压特性进行观察比 较，发现二者存在的共通之处，因而推 断RRAM作为实际忆阻器件的可能精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载32=精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载=此，RRAM作为忆阻器实际模型的应用 引发了人们的热议，倘若RRAM可以成 功作为第四类二端器件忆阻器，被应用于集成电路当中，这将给集成电路 带来崭新的变革，为新型非线