一文解析阻變存儲技術(shù)

RRAM基于雙穩(wěn)態(tài)電阻轉(zhuǎn)換的阻性存儲器（RRAM）作為集動態(tài)/靜態(tài)隨機(jī)存儲器和浮柵存儲器功能為一體的通用存儲器，是NAND技術(shù)后的下一代非易失性存儲（NVM）技術(shù)。

目前，業(yè)界普遍認(rèn)為RRAM是非易失性存儲器下一輪競賽中的領(lǐng)先者，這源自阻性存儲材料豐富的物理特性及其獨特的存儲原理。阻性存儲材料涵括了氧化物材料、硫系半導(dǎo)體材料、2D材料、有機(jī)聚合物材料。根據(jù)存儲原理，這些材料可用以構(gòu)建氧化還原型存儲器、鐵電隧道結(jié)存儲器、Mott存儲器、分子存儲器和柔性存儲器。其中，某些特有的存儲原理與功能使這些存儲器可拓展至多環(huán)節(jié)應(yīng)用，在多領(lǐng)域交叉方面大顯身手。

（1）氧化還原型阻性存儲器及其材料。該類存儲器包括兩類，即：基于金屬陽離子行為的EMB或CBRAM（電化學(xué)金屬化橋存儲器，有的也稱之為可編程金屬化單元PMC）和基于氧陰離子的VCM（ValenceChangeMemory，價態(tài)改變型存儲器）。

EMB阻性存儲器通常采用活性電極-離子導(dǎo)體-惰性電極系統(tǒng)，電化學(xué)活性材料如Ag或Cu可制成活性電極，惰性電極采用W或Pt等，離子導(dǎo)體可以是固體電解質(zhì)薄膜（如：銀硫系化合物Ag2S和Cu2S等），也可以是氧化物（如ZrO2）。其中的導(dǎo)電細(xì)絲或金屬化橋的形成依賴于活性金屬的電化學(xué)反應(yīng)。這類RAM技術(shù)可滿足固態(tài)硬盤、嵌入式非易失性存儲器等多樣市場需求。2012年，已經(jīng)有基于EMB的串行非易失性存儲器商業(yè)產(chǎn)品問世。

2015年2月，Micron發(fā)布了采用27nm技術(shù)制造的16Gb的CuCBRAM芯片（見圖4）。此外，EMBRRAM備受關(guān)注的是其電化學(xué)反應(yīng)調(diào)控的可重構(gòu)開關(guān)，它不僅可以作為突觸元件應(yīng)用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（見圖5），而且與其他系統(tǒng)的集成能夠提供更為豐富的功能。例如2014年報道了一種集成了阻性存儲器的超級電容器系統(tǒng)，其放電過程的穩(wěn)定性獲得大幅提升。

圖427nm技術(shù)的16GbCuCBRAM

圖5基于Ag2S憶阻器的類突觸記憶強(qiáng)化功能

依賴于氧陰離子（或氧空位）的VCM阻性存儲器根據(jù)阻態(tài)轉(zhuǎn)變行為又分為金屬氧化物雙極型（MOBF）RRAM和金屬氧化物單極型（MO-UF）RRAM兩類。前者一般采用雙層氧化物結(jié)構(gòu)，其中至少一層是非化學(xué)計量比的氧化物薄膜，例如可商業(yè)化的Ta2O5-x/TaO2-x結(jié)構(gòu)。2012年，松下展示了一個8Mb的TaOxRRAM，它具有8.2ns的寫入脈沖速度和443Mb/s的速率。2013年初，東芝公司發(fā)布了與24nmCMOS相集成的32GbRRAM存儲器。

同年7月，松下推出了第一款替代EEPROM的商用8位微控制器，它采用了集成TaOxRRAM的0.18μmCMOS處理器。另一類MO-UFRRAM也被稱作為熱化學(xué)存儲器（TCM），采用的介質(zhì)材料為NiOx、HfOx等，電極一般選用TiN、Pt和W等。與前述存儲結(jié)構(gòu)不同，MO-UF器件不依賴結(jié)構(gòu)上的不對稱性來實現(xiàn)阻性存儲，而且其寫/擦電壓極性相同，因此在制備小尺寸存儲陣列方面具有優(yōu)勢。此外，其單一電壓極性的編程方式也大大簡化了電路。

（2）鐵電隧道結(jié)（FTJ）存儲器及其材料。常見的鐵電隧道結(jié)采用金屬/超薄鐵電薄膜/金屬這樣的三明治結(jié)構(gòu)，幾納米厚的鐵電層作為電子隧穿勢壘，其自發(fā)極化翻轉(zhuǎn)使得勢壘高度發(fā)生明顯變化，從而在隧道結(jié)中獲得高、低兩個電阻態(tài)。

鐵電極化的快速翻轉(zhuǎn)能力使得鐵電隧道結(jié)阻性存儲器在快速度、低功耗等方面有得天獨厚的優(yōu)勢，比如：其讀電壓通常僅為100mV，寫操作的能量可以降低到10fJ/bit。FTJ因受限于低的隧穿電阻開關(guān)比一度遭遇技術(shù)瓶頸，后來通過巧妙設(shè)計鐵電異質(zhì)結(jié)構(gòu)跨越了這一障礙，2013年報道了一種新結(jié)構(gòu)的BaTiO3FTJ存儲器，將其中一端的金屬電極用鐵電半導(dǎo)體替代，從而實現(xiàn)鐵電自發(fā)極化翻轉(zhuǎn)對勢壘高度和寬度的同時調(diào)控，獲得異常增強(qiáng)的隧道結(jié)電阻開關(guān)比。而且，此類鐵電異質(zhì)結(jié)構(gòu)的阻態(tài)取決于鐵電疇結(jié)構(gòu)，通過微結(jié)構(gòu)調(diào)控能夠?qū)崿F(xiàn)可控的準(zhǔn)連續(xù)阻態(tài)變化，這是實現(xiàn)人工認(rèn)知的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。采用FTJ可以執(zhí)行“類腦”的編碼、訓(xùn)練、識別等功能。

（3）Mott存儲器及其材料。利用Mott絕緣體材料在外界刺激（光、熱、電）下發(fā)生金屬態(tài)-絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變從而實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)存儲。VO2和NbO2是其中的代表性材料，這些材料不但具有刺激依賴的電阻調(diào)控能力，而且能夠獲得刺激依賴的電容調(diào)控，因此可以執(zhí)行多環(huán)節(jié)、跨領(lǐng)域的復(fù)雜任務(wù)。2009年《Science》報道的諧振頻率即時可調(diào)的諧振器，正是利用了VO2Mott憶容器對電容的調(diào)控特性。

2014年美國UCBerkley報道了一種集成了Mott存儲器的可扭轉(zhuǎn)的人工微肌肉系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用了VO2憶阻器對電阻的即時調(diào)控特性，對扭矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行實時控制（圖6）。這種人工微肌肉系統(tǒng)使具有反饋、響應(yīng)和自適應(yīng)等能力的未來智能機(jī)器人成為可能。

圖6集成了VO2Mott憶阻器的可扭轉(zhuǎn)的人工微肌肉系統(tǒng)

（4）聚合物阻性存儲器。該類存儲器充分發(fā)揮了聚合物材料可彎曲與可延展性以及易于圖案化加工的特點，能夠與電子皮膚系統(tǒng)無縫對接，在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域有得天獨厚的優(yōu)勢，使可穿戴通訊、處理與存儲技術(shù)成為現(xiàn)實。此外，柔性阻性存儲器在醫(yī)療診斷領(lǐng)域也嶄露頭角。2014年《NatureNanotechnology》報道了阻變存儲器件與藥物緩釋器件集成的電子皮膚系統(tǒng)（圖7）。該系統(tǒng)利用傳感元件實時監(jiān)控患者的生理體征，通過阻性存儲元件對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、對比并反饋至藥物釋放驅(qū)動元件，使可穿戴的診療及保健系統(tǒng)不再只是科幻作品中的想象。

圖7阻變存儲器件與藥物緩釋器件集成的電子皮膚系統(tǒng)
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