硫化物二维半导体阻变存储器设计(3)

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至 2008 年开始，关于忆阻器的文章便在各个知名杂志期刊上如雨后春笋般冒了

出来，年发文量与引文数逐年上升（如图 2.1 所示）。从蔡少棠教授提出忆阻概念到近几年忆阻器大热这二三十年间，出现了大量关于具有阻变效应的材料的文献报道，包括各类金属氧化物（包括二元和多元）、有机化合物材料[10, 11]、无机/有机纳米复合材料[12, 13]以及固体电解质材料[14]。固体电解液材料，在这里通常是指富含 Ag 或者 Cu 的硫系化合物，这类结构器件具有以下特点：可缩小性好、操作电压低,操作电流小、操作速度快、读写次数高等，这也是本课题具有直接相关的材料。

图 1.2 近几年出版的每一年文献数和每一年引文数忆阻器具有一定意义上的记忆功能,其电阻态的改变有赖于外部所加电压(电流)

的幅值、极性等，切断外部电源后，它会保持断电前的阻值不变，也称为非易失存储性。

它的结构通常是典型的“三明治”MIM 三层结构，即底电极层与顶电极层以及中间的阻变材料层（通常为半导体材料或绝缘材料），其工作原理是在两金属电极之间加一定的电压刺激，使得阻变层产生忆阻效应，电阻由高阻态（HRS）转变为低阻态

（LRS），而后再加一定电压刺激，其电阻态又返回高阻态。正是利用阻变材料这种忆阻特性来逻辑计算中的“0”和“1”，从而实现二进制数据的储存。同时,某些忆阻材料还具有多阻态转换的性能，有利于制成多级存储器。进一步讲，特定的阻变材料具有多种可变的阻值状态，可以读取低阻到高阻之间的多种阻值状态，进而实现多值存储器。上诉多值存储要是得到实现，这将是存储器技术的一次重大。与传统的存储器相比，忆阻器 RRAM 具有很明显的技术优势（如表 1）。

表 1 传统与新兴存储技术之间对比分析

1.2.1 阻变存储层的材料

虽然忆阻器概念是 70 年代才提出来的概念，但关于阻变现象的研究却是早在 1962 年，Hickmott 等科学家在研究 SiOx 材料的电流电压关系时就发现了这一现象。这一成果为后来的阻变材料的开发开辟了实验与理论的先河，具有重要的意义。随着这几年新型存储器的热门，不断有具备忆阻效应的新型阻变材料被人们发现。本文将目前主要的一些阻变材料归纳为四种，有过渡金属二元氧化物，有机化合物材料，复杂的钙钛矿氧化物材料，固体电解质材料。

1. 过渡金属二元氧化物过渡族金属氧化物因其相对简单成熟的制备方法，工艺与传统半导体工艺 CMOS

兼容性好，元素组分易于控制等优势受到人们广泛关注，成为研究较多的一类阻变材

料。目前较为热门的二元金属氧化物阻变材料有 CuOx

，通常通过化学法合成，物理气相沉积 PVD，化学气相沉积 CVD，磁

控溅射等手段合成这些材料，研究手段相对已经比较成熟。以上述这些二元金属氧化物为阻变层的阻变存储器的相关性能已经进行了很多的

研究，包括我国的一些知名学府与研究机构以及国外的一些著名大学和实验室在内均做了大量的工作，也取得了一定的研究成果[20, 21] 。但到目前为止，仍然有许多理论上的难题困扰着研究工作的推进，比如这些氧化物阻变材料的阻变机理，尚未有一个系统合理的解释，只是提出了一些针对性的理论模型，还需要科研人员继续深入研究。