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1、廖 宇 龍2017.09 主要內(nèi)容：u一 、 磁 性 存 儲 材 料u二 、 光 信 息 存 儲 材 料u三 、 半 導(dǎo) 體 存 儲 技 術(shù)u四 、 MRAM存 儲 材 料 及 技 術(shù)u五 、 RRAM存 儲 材 料 及 技 術(shù) 一、磁性存儲材料 在 信 息 時 代 ， 大 容 量 存 儲 技 術(shù) 在 信 息處 理 、 傳 遞 和 探 測 保 存 中 占 據(jù) 著 相 當(dāng)重 要 的 地 位 。 經(jīng) 過 一 個 世 紀(jì) 的 發(fā) 展 ， 磁 性 存 儲 取 得了 巨 大 的 進(jìn) 步 ， 目 前 的 磁 記 錄 密 度 已進(jìn) 入 每 平 方 英 寸 超 過 100G位 數(shù) 的 量 級 。 為 了 提

2、高 磁 記 錄 的 密 度 ， 主 要 途 徑 是增 大 介 質(zhì) 的 Hc/Br并 降 低 介 質(zhì) 的 厚 度 。但 記 錄 后 的 輸 出 信 號 正 比 于 Br， 因 此提 高 介 質(zhì) 矯 頑 力 是 關(guān) 鍵 。 磁 記 錄 材 料 先 后 經(jīng) 歷 了 、（ Fe Co Ni等 合 金 磁 粉 ） 和 金 屬 薄膜 三 個 階 段 。 矯 頑 力 和 剩 磁 都 得 到 了 很 大 的 提 升 。是 高 記 錄 密 度 的 理 想 介 質(zhì) 。薄膜介質(zhì)是連續(xù)性介質(zhì)高的矯頑力高的飽和磁化強(qiáng)度 垂 直 磁 記 錄 磁 化 方 向 和 記 錄 介 質(zhì) 的 平 面 相 垂 直的 記 錄 方 式 。

3、它 可 徹 底 消 除 縱 向 磁 記 錄 方 式 隨 記 錄 單 元 縮 小 所 產(chǎn) 生 的 退 磁 場 增 大 的 效 應(yīng) ， 因 而 更 有 利 于 記 錄 密 度的 提 高 。 同 時 對 薄 膜 厚 度 和 矯 頑 力 的 要 求 可 更 寬 松 。 但 其 對 信 號 的 讀 出 效 率 較 差 ， 要 求 磁 頭 必 須 距記 錄 介 質(zhì) 面 很 近 。 縱 向 磁 化 記 錄 磁 化方 向 與 記 錄 介 質(zhì) 的 運(yùn)動 方 向 平 行 的 記 錄 方式 。如 硬 盤 、 軟 盤 、 磁 帶 等 。提 高 其 存 儲 密 度 的 方 式 主 要 是 提 高 矯 頑 力和 采 用

4、薄 的 存 儲 膜 層 。 高密度磁性存儲磁頭材料磁 記 錄 的 兩 種 記 錄 剩 磁 狀 態(tài) （ Mr） 是 由 正 、 負(fù)脈 沖 電 流 通 過 磁 頭 反 向 磁 化 介 質(zhì) 來 完 成 的 。在 讀 出 記 錄 信 號 時 ， 磁 頭 是 磁 記 錄 的 一 種 磁 能 量轉(zhuǎn) 換 器 ， 即 磁 記 錄 是 通 過 磁 頭 來 實(shí) 現(xiàn) 電 信 號 和 磁信 號 之 間 的 相 互 轉(zhuǎn) 換 。 因 此 磁 頭 同 磁 記 錄 介 質(zhì) 一 樣 是 磁 記 錄 中 的 關(guān) 鍵 元 件 。 磁頭在磁記錄過程中經(jīng)歷了幾個階段：體形磁頭薄膜磁頭磁阻磁頭 磁阻、巨磁阻效應(yīng) 1971年 有 人 提

5、出 利 用 鐵 磁 多 晶 體 的 各 向 異 性 磁電 阻 效 應(yīng) 制 作 磁 記 錄 的 信 號 讀 出 磁 頭 。 1985年 IBM公 司 實(shí) 現(xiàn) 了 這 一 設(shè) 想 。此 后 ， 磁 記 錄 密 度 有 了 很 大 的 提 高 。 磁 阻 磁 頭 主要 采 用 Ni （ Co， Fe） 系 列 的 鐵 磁 合 金 材 料 ， 其主 要 特 點(diǎn) 當(dāng) 電 流 與 磁 場 平 行 和 垂 直 時 其 電 阻 率 有較 明 顯 的 變 化 。 上 世 紀(jì) 80年 代 末 法 國 巴 黎 大 學(xué) Fert教 授 課 題 組 提 出 和發(fā) 現(xiàn) 的 ， 引 起 極 大 轟動 ， 也 為 磁 頭 技

6、 術(shù) 帶 來 了 突 飛 猛 進(jìn) 的 發(fā) 展 。 該 項(xiàng) 成 果也 獲 得 了 2007年 諾 貝 爾 物 理 獎 。 GMR效 應(yīng) 主 要 基 于 電 子 自 旋 特 性 產(chǎn) 生 。 Mp M電子的兩大量子特性電荷自旋NP + + + +- - - - E 巨 磁 電 阻 電 阻 網(wǎng) 絡(luò) 模 型 (Mott二 流 體 模 型 )兩磁性層平行 兩磁性層反平行 NFFNF RwLR)P1(w2RRR DeN 2 DeN 2 NFFNF RwLR)P1(w2RRR P 1986發(fā)現(xiàn)AF耦合GMR 1988發(fā)現(xiàn)GMR 1991發(fā)明自旋閥1994,GMR記錄磁頭2005,100Gb/in2記錄磁頭19

7、93第一個GMR MRAM 2005，1Gb MRAM自旋閥典型結(jié)構(gòu) 二、光信息存儲材料與 磁 存 儲 技 術(shù) 相 比 ， 光 盤 存 儲 有 以 下 優(yōu) 勢 ：非 接 觸 式 讀 /寫 ， 光 頭 與 光 盤 間 有 1 2mm距 離 ， 因 此 光 盤 可以 自 由 更 換 ； 信 息 載 噪 比 高 ， 而 且 經(jīng) 多 次 讀 寫 不 降 低 ； 信 息 位 的 價 格 低 ； 抗 磁 干 擾 。缺 點(diǎn) ： 光 盤 驅(qū) 動 器 較 貴 ， 數(shù) 據(jù) 傳 輸 率 較 低 ， 存 儲 密 度 較 低 。 在 未 來 10年 內(nèi) ， 磁 存 儲 和 光 盤 存 儲 仍 為 高 密度 信 息 外

8、存 儲 的 主 要 手 段 。今 后 高 性 能 的 硬 盤 主 要 為 計(jì) 算 機(jī) 聯(lián) 機(jī) 在 線 存 儲 ， 以 計(jì) 算 機(jī) 專 業(yè) 用 為 主 。高 性 能 光 盤 為 脫 機(jī) 可 卸 式 海 量 存 儲 和 信 息 分 配 存 儲 ， 以 消 費(fèi) 用 為 主 。 提 高 存 儲 密 度 和 數(shù) 據(jù) 傳 輸 率 一 直 是 光 盤 存 儲 技術(shù) 的 主 要 發(fā) 展 目 標(biāo) 。同 時 ， 多 功 能 （ 可 擦 重 寫 ） 也 是 光 盤 存 儲 技 術(shù) 的 發(fā) 展 方 向 ， 也 由 此 才能 與 日 益 發(fā) 展 的 磁 盤 存 儲 技 術(shù) 競 爭 。 光 盤 工 作 性 能 的 擴(kuò) 展

9、 取 決 于 存 儲 介 質(zhì) 的 進(jìn) 展 。CD-ROM光 盤 的 信 息 數(shù) 據(jù) :預(yù) 刻 于 光 盤 母 盤 上 的 （ 形 成 凹 坑 ） 然 后 制 成 金 屬 壓 膜 再 把凹 坑 復(fù) 制 于 聚 碳 酸 酯 的 光 盤 基 片 上 靠 凹 坑 與 周 圍 介 質(zhì) 反 射 率 的不 同 讀 出 信 號 。由 于 其 價 格 便 宜 ， 制 作 方 便 ， 已 大 量 使 用 。 光 盤 記 錄 點(diǎn) 的 尺 寸 決 定 于 聚 焦 光 束 的 衍 射 極 限 ?？s 短 記 錄 激 光 波 長 是 縮 小 記 錄 點(diǎn) 間 距 ， 提 高 存儲 密 度 的 關(guān) 鍵 。PS: 采 用 GaN

10、半 導(dǎo) 體 激 光 器 （ 記 錄 波 長 0.40 0.45m） ， 可 將 光 盤 的 存儲 容 量 提 高 到 10GB以 上 ， 稱 為 超 高 密 度 光 盤 存 儲 技 術(shù) 。 可擦重寫光盤存儲技術(shù)可 擦 重 寫 光 盤 的 存 儲 介 質(zhì) 能 夠 在 激 光 輻 射 下 起 可 逆的 物 理 或 化 學(xué) 變 化 。目 前 發(fā) 展 的 主 要 有 兩 類 : 即 磁 光 型 和 相 變 型 。前 者 靠 光 熱 效 應(yīng) 使 記 錄 下 來 的 磁 疇 方 向 發(fā) 生 可 逆 變化 ， 不 同 方 向 的 磁 疇 使 探 測 光 的 偏 振 面 產(chǎn) 生 旋 轉(zhuǎn)（ 即 克 爾 角 ）

11、作 讀 出 信 號 ；后 者 靠 光 熱 效 應(yīng) 在 晶 態(tài) 與 非 晶 態(tài) 之 間 產(chǎn) 生 可 逆 相 變 ，因 晶 態(tài) 與 非 晶 態(tài) 的 反 射 率 不 同 而 作 為 探 測 信 號 。 具 有 顯 著 磁 光 效 應(yīng) 的 磁 性 材 料 稱 為 磁光 材 料 。 主 要 為 石 榴 石 型 鐵 氧 體 薄 膜 。 偏 振 光 被 磁 性 介 質(zhì) 反 射 或 透 射 后 ， 其偏 振 狀 態(tài) 發(fā) 生 改 變 ， 偏 振 面 發(fā) 生 旋 轉(zhuǎn) 的 現(xiàn) 象 。 由 反射 引 起 的 偏 振 面 旋 轉(zhuǎn) 稱 為 克 爾 效 應(yīng) ； 由 透 射 引 起 的偏 振 面 旋 轉(zhuǎn) 稱 為 法 拉 第

12、效 應(yīng) 。 磁 光 存 儲 的 寫 入 方 式 利 用 熱 磁 效 應(yīng) 改 變 微小 區(qū) 域 的 磁 化 矢 量 取 向 。1. 當(dāng) 經(jīng) 光 學(xué) 物 鏡 聚 焦 的 激 光 束 瞬 時 作 用 于 該 薄 膜 的 一 點(diǎn) 時 ，此 點(diǎn) 溫 度 急 劇 上 升 ， 超 過 薄 膜 的 居 里 溫 度 后 ， 自 發(fā) 磁 化強(qiáng) 度 消 失 。2. 激 光 終 止 后 溫 度 下 降 ， 低 于 居 里 溫 度 后 ， 磁 矩 逐 漸 長 大 ，磁 化 方 向 將 和 施 加 的 外 加 偏 置 場 方 向 一 致 。 因 為 該 偏 置場 低 于 薄 膜 的 矯 頑 力 ， 因 此 偏 場 不 會

13、 改 變 其 它 記 錄 位 的磁 化 矢 量 方 向 。磁 光 存 儲 即 有 光 存 儲 的 大 容 量 及 可 自 由 插 換 的 特 點(diǎn) ，又 有 磁 存 儲 可 擦 寫 和 存 取 速 度 快 的 優(yōu) 點(diǎn) 。 它 們 的 熔 點(diǎn) 較 低 并 能 快 速 實(shí) 現(xiàn) 晶 態(tài) 和 非 晶態(tài) 的 可 逆 轉(zhuǎn) 變 。 兩 種 狀 態(tài) 對 光 有 不 同 的 發(fā) 射 率 和 透 射 率 。 但 這 種 光 存 儲 介 質(zhì) 多 次 讀 寫 后 信 噪 比 會 下降 。相 變 型光 存 儲介 質(zhì) Te（ 碲 ） 半 導(dǎo) 體 合 金非 Te基 的 半 導(dǎo) 體 合 金 三、半導(dǎo)體存儲技術(shù)目 前 的 半 導(dǎo)

14、 體 存 儲 器 市 場 ， 以 揮 發(fā) 性 的 及 非 揮 發(fā) 性的 為 代 表 。 其 中 Flash具 有 非 易 失 性 、 高 速 、 高 集 成 度 和 電 可 擦 除 等 優(yōu)點(diǎn) 。 目 前 NAND型 Flash已 發(fā) 展 到 32 nm/64 Gbit量 產(chǎn) 的 水 的水 平 。 Flash存 儲 器 己 發(fā) 展 成 為 當(dāng) 前 工 藝 線 寬 最 小 、 單 片 集成 密 度 最 高 、 應(yīng) 用 最 廣 泛 的 集 成 電 路 產(chǎn) 品 。 Flash存 儲 器 通 過 對 器 件 的柵極、源極、漏極和襯底加 適 當(dāng) 的 電 壓 激 勵 ， 使 得 器 件 溝 道 中 的 電

15、子 被 電 場 拉到 浮 柵 (floating gate)中 的 電 子 將 導(dǎo) 致 器 件 閥 值 電 壓的 狀 態(tài) 用 來 存 儲 數(shù) 據(jù) “ 0” 和 數(shù) 據(jù) “ 1” 。 傳 統(tǒng) Flash存 儲 器 的 隧 穿 氧 化 層 厚 度 的 減薄 不 能 與 技 術(shù) 代 發(fā) 展 保 持 同 步 ， 同 時 單元 尺 寸 的 縮 小 還 會 帶 來 工 藝 漲 落 和 隨 機(jī)漲 落 增 加 等 難 題傳 統(tǒng)Flash存 儲器 將面 臨著 許多 缺陷 和難 題 寫 入 電 壓 較 高 、 讀 寫 速 度 較 慢 ( s量 級 )和 功 耗 較 大 ， 因 而 需 要 特 殊 的 電 壓 提

16、升結(jié) 構(gòu) 從 而 加 大 了 電 路 設(shè) 計(jì) 的 難 度 。技 術(shù) 界 普 遍 預(yù) 測 ， NOR（ 高 速 ） 型 Flash將 止 步 于 45 nm技 術(shù) 節(jié) 點(diǎn) ， 而 NAND（ 大 容 量 ） 型 Flash也 將 在 32 nm的 技 術(shù) 節(jié) 點(diǎn) 處 達(dá) 到 極 限 尺 寸 。 鐵 電 存 儲 器 (FRAM: Ferroelectric Random Access Memory) 磁 隨 機(jī) 存 儲 器 (MRAM: Magnetoresistive Random Access Memory) 相 變 存 儲 器 (PCM: Phase Change Memory) 阻 變 存

17、 儲 器 (RRAM: Resistive Random Access Memory) 是 利 用 鐵 電 晶 體 材 料 (如PZT, SBT, BLT等 )的 自 發(fā) 極 化 和 在 外 界 電 場 的 作 用 下 改 變極 化 方 向 的 特 性 來 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 存 儲 。 主 要 是 利 用 來 實(shí) 現(xiàn) 高 低 兩 種 電阻 狀 態(tài) 的 轉(zhuǎn) 換 而 達(dá) 到 二 值 存 儲 的 目 的 。 MRAM的 數(shù) 據(jù) 是 以 磁 性 狀 態(tài) (而 不 是 電 荷 )存 儲 ， 并 且 讀 取 數(shù)據(jù) 是 利 用 測 量 電 阻 來 感 知 ， 不 會 干 擾 磁 性 狀 態(tài) ， 因 此 與 現(xiàn)

18、 有的 Flash, SRAM, DRAM相 比 ， MRAM具 有 存 取 速 度 快 、 存 取次 數(shù) 多 、 功 耗 低 以 及 非 揮 發(fā) 性 等 優(yōu) 點(diǎn) ， 具 有 廣 泛 的 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 。 但 是 ， MRAM磁 性 材 料 薄 膜 的 制 備 工 藝 比 較 復(fù) 雜 ， 在 大 面 積制 備 過 程 中 薄 膜 的 厚 度 容 易 出 現(xiàn) 波 動 ， 從 而 影 響 器 件 的 均 勻性 和 可 靠 性 ， 與 傳 統(tǒng) CMOS工 藝 的 兼 容 性 還 需 要 進(jìn) 一 步 優(yōu) 化 。 ， 通 常 也 被 稱 為 PCM, PCRAM或 OUM(Ovonics Unifie

19、d memory)等 。 它 主 要 是 利 用 硫 化 物 (Chalcogenide)和硫 化 合 金 等 材 料 的 相 變 特 性 來 實(shí) 現(xiàn) 儲 存 的 。 PRAM器 件 具 有 非 常 簡 單 的 金 屬 一 絕 緣 體 一 金 屬 (M-I-M)結(jié) 構(gòu) ，通 過 在 電 極 兩 端 施 加 不 同 高 度 和 寬 度 的 電 脈 沖 就 可 以 使 得相 變 薄 膜 材 料 在 晶 相 和 非 晶 相 之 間 進(jìn) 行 轉(zhuǎn) 換 ， 使 得 相 變 薄膜 材 料 的 電 阻 阻 值 在 高 、 低 阻 態(tài) 之 間 進(jìn) 行 轉(zhuǎn) 換 ， 從 而 實(shí) 現(xiàn)數(shù) 據(jù) 的 儲 存 。 具 有等

20、優(yōu) 點(diǎn) ，但 PRAM存 在 一 個 致 命 的 缺 陷 ， 擦 除 (RESET)過 程 需 要 較 大 的 電 流 (100 A)， 大 電 流需 要 大 尺 寸 的 晶 體 管 驅(qū) 動 ， 造 成 存 儲 密 度 的 降 低 ， 同 時 增 加 了 芯 片 的 功 耗 ， 這 己 成為 阻 礙 其 商 用 化 最 關(guān) 鍵 的 問 題 。 ， 它 主 要 是 利 用 某 些 薄 膜 材 料 在 電 激 勵 的 作 用 下會 出 現(xiàn) 不 同 電 阻 狀 態(tài) ( )的 轉(zhuǎn) 變 現(xiàn) 象 來 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 的 存儲 ， 這 和 PRAM有 相 似 的 地 方 。pRRAM的 基 本 結(jié) 構(gòu) 為

21、金 屬 一 絕 緣 體 一 金 屬 (M-I-M)或(M-I-S)結(jié) 構(gòu) ， 其 中 上 面 的 金 屬 薄 膜 作 為 上 電 極 ， 中間 的 絕 緣 層 作 為 阻 變 功 能 層 ， 下 面 金 屬 或 導(dǎo) 電 的 半 導(dǎo) 體 襯 底 用 作 下 電 極 。具 有 阻 變 現(xiàn) 象 的 材 料 非 常 豐 富 ， 特 別 是 一 些 與 CMOS工 藝 兼 容 的 二 元 氧 化物 也 被 報 道 具 有 較 好 的 阻 變 存 儲 特 性 ， 使 得 RRAM存 儲 技 術(shù) 受 到 廣 大 半 導(dǎo)體 公 司 的 青 睞 。 與 其 它 新 型 非 揮 發(fā) 存 儲 器 相 比 ， 具 有

22、、 、和 ， 因 此 成 為 下 一 代 非 揮 發(fā) 存 儲器 的 有 力 競 爭 者 之 一 。 MRAM不 僅 具 有 SRAM存 取 速 度 快 、 工 作 電 壓 低 ， DRAM重 復(fù)擦 寫 次 數(shù) 多 的 優(yōu) 點(diǎn) ， 而 且 具 備 FLASH的 非 易 失 性 ， 并 且 由 于其 抗 電 磁 干 擾 、 抗 輻 射 、 大 容 量 存 儲 等 優(yōu) 勢 ， 在 計(jì) 算 領(lǐng) 域 和軍 事 信 息 領(lǐng) 域 具 有 重 大 的 應(yīng) 用 價 值 。四、MRAM材料及技術(shù) 目 前 DRAM、 SRAM和 Flash都 是 基 于 半 導(dǎo) 體技 術(shù) 開 發(fā) 。 靜 態(tài) 隨 機(jī) 存 儲 器 （

23、 SRAM） 利 用 雙 穩(wěn) 態(tài) 觸 發(fā) 器 作 存 儲 元 件 ，因 此 速 度 快 ， 但 相 對 于 DRAM集 成 度 低 。 DRAM相 對 于 SRAM來 說 集 成 度 高 ， 但 因 為 用 電 容 作 存 儲 元件 ， 放 電 時 間 長 ， 限 制 了 DRAM的 速 度 。 Flash控 制 原 理 是 電 壓 控 制 柵 晶 體 管 的 電 壓 高 低 值 （ 高 低電 位 ） ， 柵 晶 體 管 的 結(jié) 電 容 可 長 時 間 保 存 電 壓 值 ， 因 而能 斷 電 后 保 存 數(shù) 據(jù) 。 但 其 單 元 工 作 電 壓 較 大 ， 存 儲 密 度提 高 不 易 。

24、 且 寫 入 時 間 較 長 。 雖 然 大 多 數(shù) 專 家 相 信 ， 即 使 工 藝 節(jié) 點(diǎn) 縮 小 到 20nm， 硅 技術(shù) 仍 將 保 持 其 領(lǐng) 先 地 位 ， 但 是 在 20nm以 下 ， 將 出 現(xiàn) 大 量由 基 礎(chǔ) 以 及 特 殊 應(yīng) 用 引 發(fā) 的 障 礙 ， 從 而 阻 撓 工 藝 節(jié) 點(diǎn) 的進(jìn) 一 步 縮 小 。 隨 著 大 家 對 “ 不 久 的 將 來 ， DRAM和 閃 存 器 件 在 體 積 上 將 不 會 有 所變 化 ” 的 疑 慮 不 斷 增 加 ， 人 們 開 始 關(guān) 注。 毫 無 疑 問 ， 下 一 代 存 儲 器 市 場 的 競 爭 一 定 會 十

25、分 激 烈 ， 而目 前 也 很 難 判 定 哪 種 技 術(shù) 將 在 潛 能 巨 大 的 通 用 存 儲 器 業(yè) 務(wù) 中 勝 出 。 基 于 巨 磁 電 阻 效 應(yīng) （ Giant Magnetoresistive，GMR）的 一 種 新 型 存 儲 器 (Magnetic Random Access Memory，MRAM) 受 到 各 國 研 究 者 的 廣 泛 關(guān) 注 ， 成 為 當(dāng) 前 存 儲 器 研 究領(lǐng) 域 的 熱 點(diǎn) 。 快 速 存 取非 易 失 性抗 輻 射抗 干 擾低 功 耗使 用 壽 命 長 、 成 本 低 目 前 MRAM的 讀 寫 機(jī) 制 主 要 有 兩 種 ：1. 1

26、T1MTJ（ one Transistor one MTJ)架 構(gòu) ， 即 一個 記 憶 單 元 連 接 一 個 MOS管 ；2. XPC (Cross-point cell)構(gòu) 架 ； MRAM核 心 技 術(shù) 其 一 是 獲 得 高 磁 阻 變 化 比 值的 磁 性 多 層 膜 結(jié) 構(gòu) ； 其 二 是 盡 量 降 低 存 儲 位 元 的 尺 寸 ； 其 三 是 讀 寫 的 構(gòu) 架 和 方 法 合 理 實(shí) 施 。 結(jié) 構(gòu) 較 復(fù) 雜 ， 且 存 儲 單 元 的 小 型 化 受 MOS管 限 制 ，存 儲 密 度 提 高 有 限 。 o XPC結(jié) 構(gòu) 存 儲 單 元 結(jié) 構(gòu) 更 簡 單 ， 更

27、有 利 于 存儲 密 度 的 提 高 。o 但 XPC結(jié) 構(gòu) 中 位 線 和 字 線 都 直 接 與 MTJ連 接 。所 以 在 寫 入 時 電 流 會 經(jīng) 由 MTJ流 失 ， 導(dǎo) 致 電流 會 隨 著 位 線 或 字 線 路 徑 增 長 而 降 低 ， 甚 至小 到 無 法 完 成 MTJ的 寫 入 動 作 。 五、RRAM材料及技術(shù)的 研 究 實(shí) 際 上 已 有 數(shù) 十 年 的 歷 史 。 1971年 ， 加 州 大 學(xué) 伯 克 利 分 校 Leon Chua教 授 預(yù) 測 ， 在 電 容 、電 阻 和 電 感 之 外 ， 還 存 在 第 四 種 基 本 元 件 ： 記 憶 電 阻（ M

28、emristor） 。 這 種 電 阻 能 夠 通 過 施 加 不 同 方 向 、 大 小 電壓 ， 改 變 其 阻 值 。 2006年 ， 惠 普 終 于 通 過 實(shí) 驗(yàn) 證 實(shí) 了 憶 阻 器 的 存 在 ， 并 在 2008年 于 “ Nature” 雜 志 發(fā) 表 論 文 得 到 世 界 認(rèn) 可 。 在 證 明 憶 阻 器 存 在 后 ， 惠 普 還 在 不 斷 推 動 這 項(xiàng) 技 術(shù) 的 進(jìn) 步 ，包 括 2009年 實(shí) 現(xiàn) 憶 阻 器 電 路 堆 疊 ， 2010上 半 年 又 證 實(shí) 憶 阻 器可 實(shí) 現(xiàn) 邏 輯 電 路 ， 即 可 以 在 存 儲 芯 片 中 直 接 實(shí) 施 運(yùn)

29、 算 功 能 。 由 于 RRAM屬 于 非 易失 性 存 儲 設(shè) 備 ， 其最 直 接 的 應(yīng) 用 就 是替 代 閃 存 ， 擔(dān) 當(dāng) 計(jì)算 機(jī) 以 及 各 種 消 費(fèi)電 子 設(shè) 備 中 的 長 期存 儲 任 務(wù) 。 甚 至 還可 能 成 為 通 用 性 存儲 介 質(zhì) ， 取 代 DRAM甚 至 硬 盤 的 位 置 。 ： 一 些 有 機(jī) 分 子 薄 膜 被 發(fā) 現(xiàn) 具。 通 過 在 有 機(jī) 薄 膜 或 聚 合 物 中 加 入 金 屬 性 納 米 材 料 (如 Al, Au等 納 米 晶 )的 方 法 ， 還 可 以 提 高 有 機(jī) 薄 膜 阻 變 器 件 的 存 儲 特性 。 由 于 有 機(jī)

30、 材 料 構(gòu) 成 的 器 件 存 在 熱 穩(wěn) 定 性 差 、 重 復(fù) 轉(zhuǎn) 變 次 數(shù)低 和 有 機(jī) 材 料 與 CMOS工 藝 難 以 兼 容 等 缺 點(diǎn) ， 因 此 很 難 應(yīng) 用于 主 流 的 非 揮 發(fā) 性 存 儲 領(lǐng) 域 。 考 慮 到 有 機(jī) 材 料 具 有 的 優(yōu) 點(diǎn) :如 柔 性 、 制 備 簡 單 、 低 成 本 和大 面 積 制 造 等 ， 有 機(jī) 材 料 構(gòu) 成 的 RRAM器 件 可 能 會 在 柔 性 電子 領(lǐng) 域 、 低 成 本 的 一 次 寫 入 可 讀 出 存 儲 領(lǐng) 域 上 獲 得 成 功 。RRAM材料體系： 目 前 被 報 道 具 有 電 阻 轉(zhuǎn) 變效 應(yīng)

31、的 多 元 金 屬 氧 化 物 主 要 有 PrxCa1-xMnO3, LaxCa1-xMnO3等 四 元 金 屬 氧 化 物 等 SrTiO3, SrZrO3等 三 元 金 屬 氧 化 物 。夏 普 公 司 在 購 買 休 斯 頓 大 學(xué) 的 專 利 后 ， 在 2002年 的 IEDM會 議 上 報 道 了 基 于 PCMO薄 膜 的 64 bit的 RRAM的 測 試 芯 片 ， 并 將 器 件 的 高 、 低 阻 態(tài) 的 比 值 提 高 到 了 104倍 。 國 內(nèi) 的 科 研 院 所 ，如 中 國 科 學(xué) 院 上 海 硅 酸 巖 研 究 所 ， 中 科 院 物 理 研 究 所 和 南

32、 京 大 學(xué) 等 單 位 在 四 元 金 屬 氧 化 物的 RRAM上 也 開 展 了 大 量 的 工 作 。 PS： 盡 管 多 元 金 屬 氧 化 物 材 料 構(gòu) 成 的 RRAM器 件 也 表 現(xiàn) 出了 較 好 的 存 儲 特 性 ， 但 是 考 慮 到 多 元 金 屬 氧 化 物 材 料 的 制 備工 藝 比 較 復(fù) 雜 、 成 分 比 例 難 以 控 制 并 與 當(dāng) 前 CMOS工 藝 不 兼容 ， 因 此 這 類 材 料 在 RRAM存 儲 領(lǐng) 域 的 應(yīng) 用 前 景 并 不 明 朗 。 除 了 以 上 這 些 二 元 金 屬氧 化 物 材 料 以 外 ， 還 有 許 多 二 元

33、金 屬 氧 化 物 材 料 如 :TiOx, MnO, CrO3, A1203和 CoO等 也 被 發(fā) 現(xiàn) 具 有 電 阻 轉(zhuǎn) 變效 應(yīng) 。 影 響 二 元 氧 化 物 的 阻 變 特 性 除 了 與 材 料 本 身 相 關(guān) 以 外 ，還 和 所 使 用 的 電 極 材 料 ， 材 料 的 制 備 工 藝 和 材 料 的 摻 雜元 素 等 因 素 有 很 大 的 關(guān) 系 。 盡 管 各 公 司 都 有 自 己 關(guān) 注 的 二 元 金 屬 氧 化 物 ， 但 是 具 體哪 種 二 元 金 屬 氧 化 物 更 具 有 優(yōu) 勢 到 目 前 都 還 沒 有 統(tǒng) 一 的定 論 ， 這 也 給 中 國 的

34、 半 導(dǎo) 體 公 司 和 科 研 單 位 提 供 了 獲 得具 有 自 主 知 識 產(chǎn) 權(quán) 的 RRAM器 件 的 機(jī) 遇 。 RRAM阻變機(jī)制：從 材 料 中 發(fā) 生 阻 變 現(xiàn) 象 的 區(qū) 域 進(jìn) 行 劃 分 ， 可 以 將 目 前 所 提出 的 阻 變 機(jī) 制 分 為 整 體 效 應(yīng) 和 局 域 效 應(yīng) 兩 大 類 。是 指 發(fā) 生 阻 變 的 區(qū) 域 在 材 料 體 內(nèi) 是 均 勻 的 ，產(chǎn) 生 的 原 因 可 能 是 電 極 與 阻 變 材 料 界 面 勢 壘 的 變 化 或 者 是材 料 體 內(nèi) 的 缺 陷 對 電 荷 的 捕 獲 和 釋 放 過 程 引 起 的 ， 這 類RRAM

35、器 件 的 高 、 低 阻 態(tài) 電 阻 都 與 器 件 的 面 積 有 著 緊 密 的 關(guān)系 。 是 指 材 料 體 內(nèi) 部 分 區(qū) 域 發(fā) 生 阻 變 現(xiàn) 象 ， 產(chǎn) 生的 原 因 是 在 材 料 體 內(nèi) 形 成 導(dǎo) 電 能 力 較 強(qiáng) 的 導(dǎo) 電 通 道 ， 這 類阻 變 器 件 的 低 阻 態(tài) 電 阻 與 器 件 的 面 積 關(guān) 系 不 大 ， 因 此 具 有更 好 的 可 縮 小 性 ， 目 前 觀 測 到 的 導(dǎo) 電 細(xì) 絲 尺 寸 最 小 可 到 幾 個 納 米 。 從 目 前 報 道 的 研 究 結(jié) 果 來 看 ， 氧 化 物 中 的 電 阻轉(zhuǎn) 變 現(xiàn) 象 大 部 分 都 與 (

36、conductive filament)的 形 成 與 破 滅 相 關(guān) 。這 種 導(dǎo) 電 細(xì) 絲 機(jī) 制 主 導(dǎo) 的 電 阻 轉(zhuǎn) 變 ， 在 電 學(xué) 特 性 上 有 兩 大 特 征 :第 一 ， 器 件 的 低 阻 態(tài) 電 流 與 電 壓 成 線 性 關(guān) 系 ；第 二 ， 器 件 低 阻 態(tài) 電 阻 值 與 器 件 的 面 積 無 關(guān) 。 RRAM的集成結(jié)構(gòu)：1R是 阻 變 器 件 中 最 簡 單 的 集 成 結(jié) 構(gòu) ， 通 常采 用 交 叉 陣 列 (crossbar)的 二 維 結(jié) 構(gòu) 。 但 是 。 crossbar結(jié) 構(gòu)存 在 嚴(yán) 重 的 “ 誤 讀 ” 現(xiàn) 象 ，如 果 在 2x2的

37、 陣 列 中 三 個相 鄰 的 交 叉 點(diǎn) 處 于 低 阻 狀態(tài) (1)， 那 么 不 管 第 四個 交 叉 點(diǎn) 的 實(shí) 際 電 阻 處 于高 阻 態(tài) 還 是 低 阻 態(tài) ， 其 讀出 的 電 阻 都 為 低 阻 ， 這 就是 “ 誤 讀 ” 現(xiàn) 象 。 1T1R單 元 結(jié) 構(gòu) ： 1T1R結(jié) 構(gòu) 就 是 將 和 一 個組 合 在 一 起 形 成 一 個 存 儲 單 元 。 當(dāng) 對 某 個 單 元 進(jìn) 行 操 作 時 ，對 應(yīng) 的 品 體 管 打 開 ， 而 其 它 單 元 對 應(yīng) 的 晶 體 管 關(guān) 閉 ， 這 樣 就避 免 了 對 周 圍 單 元 的 誤 操 作 以 及 產(chǎn) 生 讀 取 串

38、 擾 的 問 題 。 1T1R結(jié) 構(gòu) 是 一 種 有 源 結(jié) 構(gòu) ， 器 件 的 最 小 面 積 取 決 于 晶 體 管 的 大 小 ，因 此 不 利 于 高 密 度 集 成 。1D1R單 元 結(jié) 構(gòu) ： 與 1T1R結(jié) 構(gòu) 中 的 晶 體 管 作 用 類 似 ，1D1R結(jié) 構(gòu) 采 用 來 選 擇 所 需 要 操 作 的 存 儲 單 元 。 由 于 二極 管 具 有 整 流 特 性 ， 因 此 要 求 RRAM器 件 必 須 是 單 極 性 或 無 極性 轉(zhuǎn) 變 ， 即 必 須 能 夠 使 用 同 一 極 性 的 不 同 電 壓 實(shí) 現(xiàn) 存 儲 單 元的 擦 寫 。 采 用 1D1R結(jié) 構(gòu) ， 電 流 只 能 從 一 個 方 向 流 過 RRAM器 件 ，從 而 有 效 地 抑 制 了 1R結(jié) 構(gòu) 中 的 誤 讀 現(xiàn) 象 。