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材料对阻变存储器功能的影响及性能优化研究

摘要

由于传统的非易失性存储器受制程技术以及物理尺寸的限制，加上电子产品对存储器的高要求，传统的浮栅型存储器已经很难满足人们现在的需求，阻变存储器凭借以下优点：密度高、编程或擦除速度快、耗能少等逐步进入大家视野并受到重视。本文主要对阻变存储器的发展过程、材料对阻变存储器功能的影响、阻变机理、阻变存储器的性能优化，通过三种方法改善性能参数包括工作电压，开/关比，耐用性和数据保留性。最后简单阐述阻变存储器的应用，意义，以及要改良的地方。

关键词：阻变材料；阻变机理；性能优化

目录

TOC\o1-3\h\z\u第1章绪论 1

1.1传统存储器的研究进展 1

1.2阻变存储器的概念 2

1.3阻变存储器发展进程及优缺点 3

1.4选题背景及主要研究内容 3

第2章材料对阻变存储器性能的影响 4

2.1无机材料对阻变器性能的影响 5

2.2氧化物材料对阻变存储器性能的影响 6

2.2.1基于HfO2的阻变存储器 6

2.2.2在ITO电极下氧化铪基阻变存储器的性能研究 7

2.3柔性阻变存储器材料研究进展 7

2.3.1介质材料的研究 8

2.3.2电极材料的研究 8

2.3.3基底材料的研究 8

第3章阻变存储器的阻变机理 9

3.1电化学金属化机理 9

3.2价变化机制 9

3.3热化学机理 10

第4章阻变存储器（RRAM）的性能参数及其优化 10

4.1界面工程 10

4.2功能材料的元素掺杂 11

4.3低尺寸材料介绍 11

4.4性能参数 11

第5章应用前景 13

第6章结束 14

参考文献 15

第1章绪论

在人脑中神经系统的正常运作与信息的传递需要借助突触进行，但随着时代的发展，人们试图使计算机记忆装置模拟生物突触功能。现阶段应用最广泛的非挥发性存储器主要有ROM和Flash，尽管它们具有密度高，擦除速度快等优点，但是它们也具有尺寸微缩能力差，工艺复杂等缺点，因此人们还需研究更利于发展的非易失性存储器变现象。电阻转变现象，早在1967就已经被发现了，并由Simmons和Verderber等人发表的文章中指出。但是由于当时的一些条件限制，并没有得到广泛的关注。但是随着科学的不断进步，人们对存储器的性能以及各方要求逐步提高，阻变存储技术再一次登上了时代的舞台成为重点关注对象，并掀起了阻变存储器新的研究热潮。RRAM阻变存储器又称忆阻器，我们常见的电路基本元件有电阻器，电容器还有电感元件，而阻变存储器是第四种。它相比较与其它电路基本元件的功能以及优势是，它即使处于断电的状态仍能存储之前经过它的电荷量。如果说我们进一步强化将两组忆阻器进行整合会发现，它的功能会与晶体管相同，但比晶体管占用的体积更小。目前，基于硅的闪存在数据市场中占据重要地位。

1.1传统存储器的研究进展

对于易矢性存储器和非易失性存储器来说，它们都是半导体存储器。它们的区别在于，易失性存储器当出现没有连接电源使，数据不会保存容易丢失；而对于非易失性存储器，即使突然发生断电的情况，之前记录的数据还是会在你的存储器里面不会丢失。因此我们可以从名字上对这两类半导体存储器进行区分理解。传统的非易失性存储器只具有只读存储Read-onlyMemory功能，并且该类存储器写入信息时必须处于脱机状态，而且在使用的过程中无法改变信息只能实现读取操作。非易失性存储器由于其原理与易失性存储器不同且采用的加工的技术不同因此数据不易丢失，根据其技术不同，结构不同又分为各类不同的存储器。传统硅基材料的Flash存储器，是以点阵为操作模式，在强电场的作用下实现数据的写入和擦除。因为它集成度高，成本低等优点，在以前也占据着主导地位，但是它也存在着明显不足之处，例如操作速率低，写入电压高等缺点，随着科技发展，人们为克服以上缺点，实现更好的性能化，因此常常采用性能更好的非易失性存储器，例如磁阻存储器（MRAM）、铁电存储器（FRAM）、阻变存储器（RRAM）、相变存储器（PRAM）。

表1传统存储器与各种新型存储器的差异

类型

DRAM

NOR-flash

NAND-flash

MRAM

PRAM

FRAM

RRAM

研发水平

成熟

成熟

成熟

早期

成熟

早期

早期

器件最小尺寸

6F2

10F2

5F2

20F2

4.8F2

22F2

4F

写入时间

10ns

1ms

1ms

10ns

20ns

10ns

5ns

擦除时间

10ns

10