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基本信息

書名：阻變存儲器材料與器件

定價：148.0元

作者：潘峰,陳超

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2015-05-20

ISBN：9787030419057

字數：481

頁碼：

版次：31

裝幀：圓脊精裝

開本：B5

商品重量：0.4kg

編輯推薦

《阻變存儲器材料與器件》可供存儲器材料與器件及相關行業從事研究和生産的科研人
員、技術開發人員和大專院校的師生參閱。

內容提要

《阻變存儲器材料與器件》對近年來材料、微電子、信息、物理等領域共同關注的非易失
性存儲器—— 阻變存儲器的材料、結構、性能、集成及應用等方麵進行
瞭較係統的介紹。《阻變存儲器材料與器件》共7 章， 章為緒論，概述瞭存儲器類型與發
展曆程；第2 章為阻變存儲器基礎；第3 章為阻變存儲器的材料體係及
製備方法；第4 章為阻變存儲器的電阻轉變機理，重點闡述瞭金屬導電
細絲型、氧空位導電細絲型、界麵勢壘調節型、缺陷俘獲釋放型、電緻
熱化學轉變型等各類阻變存儲器的電阻轉變特性與機製；第5 章為阻變
存儲器的性能優化，討論瞭性能優化的各種途徑；第6 章為阻變存儲器
的集成結構，對十字交叉陣列的阻變存儲器中串擾電流的抑製方法進行
瞭詮釋；第7 章為電阻轉變效應的其他應用。

目錄

作者介紹

文摘

第 1章緒論
自 20世紀 40年代颱計算機誕生以來，現代計算機係統的結構依然基於馮·諾依曼原理，即由存儲器、運算器、控製器、輸入設備和輸齣設備等五部分組成。其中，存儲器 (memory)是計算機的記憶單元，用來存儲各種程序和數據，是計算機中不可或缺的組成部分。計算機係統中的所有信息，包括原始數據、運算程序、中間運行過程和昀終結果都存放在存儲器中。有瞭存儲器，計算機纔具有記憶功能，纔能保證正常的工作。存儲器采用具有兩種穩定狀態的物理器件來存儲信息，這兩種穩定狀態就可以分彆用來錶示計算機二進製運算中的“1”和“0”。
根據數據在存儲器中保存時間的長短可以把存儲器分為易失性存儲器 (volatile memory)和非易失性存儲器 (nonvolatile memory)兩大類。易失性存儲器斷電之後信息就會丟失，故主要用於存儲短時間使用的程序，例如動態存儲器(dynamic random access memory，DRAM)。而非易失性存儲器在斷電後仍然能保持存儲的信息，如閃存(flash)。隨著手機、數碼相機等便攜式電子設備的不斷普及，非易失性存儲器在現代人的日常生活中正扮演著越來越重要的角色。隨著科學技術的進步，存儲器從昀原始的打孔卡到現在已經發展齣瞭數十種不同的形式，現今的技術手段已可以利用電、磁或光等不同類型的媒介來存儲信息。在眾多存儲器中占據主導地位的是 DRAM，它自 1967 年注冊以來，以其存儲單元設計簡單、結構小巧、處理速度快 (<10ns)等優點統領著存儲器市場，並作為計算機的主存儲器使用。但是 DRAM存在著易失性的劣勢，需要保持的電壓纔能保存其中存儲的信息。為瞭保存 DRAM中的數據，實際使用過程中必須設置專門的刷新電路，對其進行持續不斷的刷新，這既增加瞭能耗又給電路結構增加瞭額外的負擔。閃存等傳統存儲器滿足非易失性的要求，但其響應速度慢 (>1μs)，可重復擦寫次數有限 (<106)。因此，半導體行業一直在尋求一種響應速度類似 DRAM並且具有非易失性特徵的新型存儲器 。這種新型存儲器必須整閤現有存儲技術的優點，例如高速、高密度、低功耗、大容量、非易失性等，從而以一種通用存儲器的形式占領絕大部分的存儲器市場，屆時，計算機的存儲器將不再分為主存儲器和外部存儲設備，計算機操作者也不再需要經曆漫長的開機過程和保存等操作，即使工作過程中斷電也不影響下次開機時繼續斷電前的工作。新型非易失性存儲器的應用將給計算機的性能和人們的操作習慣帶來質的改變。
2013年發布的國際半導體路綫圖 (International Technology Roadmap for Semiconductor，ITRS)經過對目前在研的新型存儲器分類 (圖 1.1)和評估後重點推薦瞭阻變存儲器 (resistive switching RAM，RRAM)，建議各科研機構加緊研發，資助機構加大支持力度，加速其商業化進程。

圖 1.1 新型存儲器分類
阻變存儲器具有非易失性、可重復擦寫、速度快等眾多優點 ，其基本結構為非常簡單的“金屬 /介質層/金屬”二端口結構，介質層選材範圍廣闊，可以是傳統半導體、過渡族氧化物、電解質和有機半導體等。並且阻變存儲器的這種二端口結構很容易做成十字交叉陣列，理論上單個器件的昀小麵積可以達到 4F2(F是製備工藝中的特徵尺寸 )，還可方便實現三維堆垛 (4F2/層數)，因此理論存儲密度遠高於現有各類存儲器的密度 。錶 1.1 統計瞭各種類型存儲器的昀優技術指標，由錶中可見阻變存儲器的各項指標基本都處於的位置，例如擦寫速度 (<1ns)堪比 DRAM，循環擦寫次數高達 1012次，並且能進行多維和多值存儲。雖然目前還沒有哪個阻變體係的綜閤性能完全達到下一代存儲器的嚴格要求 ，但是阻變存儲器被認為是昀有希望實現商業化應用的新型非易失性存儲器。
國際跨國公司如惠普、三星等都以阻變存儲器為研發重點，它們報道的器件綜閤性能正在大幅提高，各項技術指標迫近應用標準，並申請瞭相關。眾多高校及研究院所也在加緊進行阻變存儲器的相關研究工作，參與國際競爭。近幾年的技術發展錶明對阻變存儲器的基礎研究正加速接近實際應用 ，阻變存儲器已經成為瞭當前外電子信息與存儲領域的研究熱點，有望成為下一代商用非易失性存儲器。
1.1 存儲器概述
存儲器的種類非常多 (圖 1.1)，各類存儲器在不同的時期不同的領域發揮著信息存儲的重要作用。阻變存儲器就被認為是潛在的下一代通用型存儲器。在對阻變存儲器的結構、性能和工作機理進行詳細討論之前，本章首先簡要介紹一下存儲器的分類和幾種代錶性存儲器的性能特點，以便讀者對於存儲器的發展方嚮以及阻變存儲器相對於其他存儲器的優缺點有一個完整的瞭解。
存儲器按讀寫功能的不同可以分為隻讀存儲器 (read only memory，ROM)和讀寫存儲器 (random access memory，RAM)兩大類。ROM是一類存儲內容固定不變，隻能讀齣而不能寫入的存儲器；而 RAM是一類可以隨意讀齣和寫入，且存取的速度與存儲單元的位置無關的半導體存儲器。如前所述，如果按數據保存時間的長短又可以分為易失性存儲器和非易失性存儲器。易失性存儲器的典型代錶是內存，而非易失性存儲器則主要作為計算機係統的外部存儲設備。目前計算機市場上占主流地位的商用存儲器包括內存、硬盤和閃存(圖 1.2)，其中內存屬於易失性的 RAM，硬盤屬於非易失性的 ROM，而閃存則兼具非易失性和 RAM的優點。

圖 1.2 主流的商用存儲器(a)內存(DRAM);(b)硬盤;(c)U盤(閃存)
1.1.1易失性存儲器
易失性存儲器在斷電時存儲的數據會自動消失，如果需要保存數據，就必須把它們寫入一個非易失性存儲設備中 (例如閃存或硬盤 )。但是易失性存儲器具有存取的特點，而存取存儲器是幾乎所有存儲器中寫入和讀取速度昀快的存儲器，故通常作為操作係統或其他正在運行中的程序的臨時數據存儲媒介。常見的存儲器包括靜態存儲器 (static RAM，SRAM)和動態存儲器 (DRAM)兩大類。
SRAM是在靜態觸發器的基礎上附加門控管而構成的，它靠觸發器的自保功能存儲數據。 SRAM是一種具有靜止存取功能的內存，不需要刷新電路即能保存它內部存儲的數據，因而它的速度非常快，通常作為計算機中的高速緩存。但是， SRAM的集成度較低，掉電不能保存數據，相同的容量體積較大，功耗較大，而且價格較高，故 SRAM隻是少量用於關鍵性係統中以提高效率。
DRAM在眾多類型的存儲器中占據著主導地位，它是我們如今正在使用的計算機的主存儲器，是與中央處理器 (central processing unit，CPU)進行溝通的橋梁。 DRAM在 1966至 1967年由 IBM公司的 R. Dennard發明，以其存儲單元結構簡單、容量大、速度快 (<10ns)等特點統領著計算機的主存儲器市場。但是 DRAM也有其自身的缺陷，即它是一種易失性存儲器，並且這種缺陷隨著對計算機性能要求的提高而更加明顯。 DRAM利用電容存儲的電荷來存儲信息，而電容不可避免地存在漏電現象，因此 DRAM需要不斷被刷新，通過刷新過程對漏電的電容進行充電操作。刷新過程限製瞭 DRAM的擦寫速度，因為電容的充電需要時間，所以刷新的速度不能超過電容充電的速度，這就導緻 DRAM的頻率很容易達到上限，限製瞭其擦寫速度。

1.1.2非易失性存儲器
非易失性存儲器是指在斷電時所存儲的數據也不會消失的一類存儲器。在非易失性存儲器中，信息的存儲狀態不依賴於外界的電源供應，這對於降低係統的能耗以及保證信息存儲的可靠性和安全性方麵無疑是非常重要的。在商用化的傳統非易失性存儲器中，依存儲器內的數據是否能在使用電腦時隨時改寫為標準，可分為二大類産品，即 ROM和閃存。 ROM的特性是一旦儲存數據就無法再將之改變或刪除，且內容不會因為電源關閉而消失。在電子或電腦係統中，通常用來儲存不需要經常變更的程序或資料，例如早期的計算機啓動用的基本輸入輸齣係統 (basic input output system，BIOS)芯片。傳統的 ROM存取速度很低，並且由於不能改寫信息，不能升級，現已很少使用。為瞭實現編程和擦除操作， ROM發展齣瞭多種多樣的類型，包括可編程隻讀存儲器 (programmable ROM，PROM)，一次性可編程隻讀存儲器(one time programmable ROM，OTPROM)，可抹除可編程隻讀存儲器 (erasable programmable ROM，EPROM)。EPROM具有可擦除功能，並且擦除後還可進行再編程，解決瞭傳統 ROM隻能寫入一次的弊端。根據擦除方式的不同，又可以把 EPROM分為紫外綫可抹除可編程隻讀存儲器 (ultraviolet EPROM，UVEPROM)和電子式可抹除可編程隻讀存儲器 (electrically EPROM，EEPROM)。但是這些不同種類的 ROM都具有擦寫不便，集成度低等特點。
另一種類型的非易失性存儲器就是閃存，它具有密度大、功耗低、體積小等特點，又能在綫快速擦除，因而獲得瞭飛速發展。隨著智能手機、數碼相機等便攜式電子産品的大量普及，市場上對於體積小，攜帶方便，抗震性好的非易失性存儲器的需求越來越大，使得閃存在便攜式存儲器這一市場獨占鰲頭，銷售額增長越來越迅猛。根據 IC Insights的研究報告顯示，閃存的銷售額在 2012年已經達到 304億美元，甚至已經超過瞭 DRAM的銷售額(280億美元 )，預計閃存的市場在未來還將進一步擴大。
閃存其實是 EEPROM的一個變種，其存儲單元結構同 EEPROM相似。不過 EEPROM隻能對整個芯片進行擦寫，而閃存能在字節水平上進行擦除和寫入操作，另外閃存的擦寫電壓也比 EEPROM小得多。閃存的結構如圖 1.3(a)所示，它由襯底、控製柵、隧穿氧化層、阻擋介質層等組成。閃存存儲數據的原理是通過在控製柵上麵施加強電場，把電子注入或者拉齣浮柵來實現寫入和擦除操作。如圖 1.3(b)所示，在控製柵上麵施加適當的電壓把溝道中的電子拉入浮柵中並儲存起來，浮柵中的電子使得器件的閾值電壓升高 (>Vref)，此時器件存儲的信息為“ 0”；在控製柵上麵施加相反的電壓時能夠把浮柵中的電子拉齣來，使得器件的閾值電壓降低 (盡管閃存獲得瞭巨大的成功並占據瞭存儲器市場上昀大的份額，閃存本身仍麵臨著很多缺陷和難題。首先，閃存的擦寫速度太慢 (0.1ms)，相比 DRAM(<10ns)要慢的多 (錶 1.1)，因此閃存隻能作為輔助的存儲器或者外部存儲設備，不能作為計算機的主存儲器。閃存的第二個嚴重缺陷就是其擦寫電壓過高 (5V)。全球的微電子行業已經取得瞭共識：標準 Si邏輯電路的操作電壓正從 5V降低到 3.3V再降低

序言