忆阻器阻变随机存取存储器及其在信息存储中的应用.pdf

中国科学 ：信息科学 第 42卷 第 6期 随机存取存储器 (RAM)是计算机数据存储的-it重要形式，主要用作主存储器 (内存)，具有超 高的存取速度和写入耐久性，如静态RAM (SRAM)的读写时间均小于 0．3ns，写寿命可高达 1016次． 然而，RAM具有易失性，掉电后数据丢失．快闪存储器 (flashmemory)作为 目前最先进的非易失性存 储器，却存在存储速度慢 (10^一100ns)，耐久性低 f写寿命约为 105次)等问题．此外，随着晶体管趋向 于亚微米级，一系列的问题开始出现，包括制作工艺的困难和器件性能的限制如电子的运行难以控制 等，基于晶体管的传统存储技术遇到了发展瓶颈，快闪存储器将会在十年 内达到体积缩小的极限．同 时，由于密集光刻成本的增加，器件本身存在物理缺陷等原因，互补金属氧化物半导体 fCMOS)技术 也将达到其发展的极限．因此，迫切需要研发新的非易失性存储器件和技术，以满足对初、中级存储设 备不断增长的高密度、低功耗和高速度的要求． 忆阻器具有纳米级尺寸、记忆能力、快速转换 (10ns)、低功耗 (HIPJ／操作)、高耐久性 (1010 次)、多状态操作、可测量性、可堆叠性以及与 CMOS工艺相兼容性，为半导体存储技术的发展带来 新的希望 [29]．基于忆阻器的阻变随机存取存储器有望成为最具潜力的新一代存储技术之一 [13]，将集 成当代存储技术的最优特点如：SRAM 的高速度，DRAM 的高密度及闪存的非易失性．文献 1『31提出 了一种利用忆阻器作为基本存储元件的非易失性同步触发器．HP实验室的Vontobel等报道了一种纳 米级忆阻器交叉存储系统，并利用两个基于混合级交叉阵列实现的编码多路复用器来寻址交叉阵列中 的纳米线 1【4]．Laiho等 [15]描述 了如何将忆阻器作为模拟存储和计算单元，并指出在计算时可 以进行 周期性编程．另有文献介绍了几种 CMOS／纳米忆阻器存储结构，如 1D1M f一个二极管一个忆阻器) 和 1M (一个忆阻器)等 [16]；基于忆阻器的多级存储器实现方法 [18]，该方法利用一组参考 电阻阵列并 强制忆阻器阻值固定于一套预先设定的固定参考电阻值来实现忆阻存储器的多级存储功能， 本文提出了一种基于忆阻器的RRAM fMRRAM)实现方案．该MRRAM 结构类似于 SRAM，但 用忆阻器替代基本 RS触发器作为存储元件．第 2节分别介绍了两种适用于多值存储器和二值存储 器的忆阻器模型．第 3节描述了MRRAM 的电路实现框图以及它的读／写操作，给出了时序图更直 观地显示存储单元的工作原理，讨论了通过改进 MRRAM 实现多值存储器的可能性，并对比分析了 MRRAM 较传统 SRAM 的优势．为了验证方案的有效性，在第 4节呈现了一系列的包括误差分析在 内的数值分析和计算机仿真，成功实现了ASCII码字符和灰度图像的存储和读出． 2 忆阻器模型及存储特性 类似于电阻 (表征电压 V与电流 i之间的关系1、电容 (表征 电荷 q和 电压V之间的关系)和电感 (表征磁通量 和 电流 i之间的关系)，忆阻器定义了磁通量 与电荷 q之问的关系．简单地讲，忆阻 器是一种导电性依赖于激励历史的非线性器件，根据控制变量可分为：1)磁通量 (电压)控制忆阻器， 其 电导由通过的磁通量 决定，即，i=W ()V或者 V=M ()；2)电荷 (电流)控制忆阻器，其电导 由流过的电荷 q决定的，即 i=W (q)u或 V=M (q)i，其中 称为忆导，M 为忆阻．本文使用两种 磁通量控制忆阻器：一种是典型的具有连续可变 电阻的理论忆阻器模型，可 以用作多值存储器 中的基 本存储元件；另一种是具有对称 一 特性的某种实际忆阻器模型，主要用于二值存储器． 2．1 具有连续可变电阻的忆阻器 HP忆阻器 由夹在两个铂片电极之问的两层 TiO 组成：其中一层 TiO2一 缺失部分氧原子，称为 掺杂层，氧空位 (称为掺杂物)使该层具有导电性；另一层为不含杂质的纯 TiO2，称为未掺杂层．忆阻 755 段书凯等：忆阻器阻变随机存取存储器及其在信息存储中的应用 器总的电阻是这两层二氧化钛的电阻之和，外加偏压 V()，可使两层之间的边界发生移动，从而改变 总的忆阻值． 典型的忆阻器数学模型可 以表示为