二元金属氧化物阻变存储器概述
SiO2的阻变存储特性测试
SiO2的阻变存储特性测试信息存储一直伴随着人类历史发展，如今阻变式存储器在众多存储器的比较中显现出了巨大优势，有望成为新一代的存储器。
本文比较了阻变式存储器与其他存储器的优缺点，阐述了阻变式存储器的工作机制和储存结构；对阻变式存储器的前景进行了展望。
第一章绪论1.1 引言信息存储的发展一直伴随着人类历史的发展。
从结绳记事到甲骨文，再到现代的磁介质存储、光介质存储和纳米存储。
信息存储技术一直在向着大容量、高速度、小尺寸和长寿命等特性发展。
在如今的大数据信息时代，人们对更加优秀的存储器提出了迫切的需求。
目前的RAM（随机存取存储器）主要分为三种：静态RAM、动态RAM和闪存。
静态RAM集成度低、功耗大，动态RAM集成度高，但二者断电后将会丢失信息，并不能永久保存信息；闪速存储器能永久储存信息但速度很慢。
在迫切的需求下，一些新兴的存储器被提出了。
主要有磁阻存储器、铁电存储器、相变存储器和阻变存储器。
近几年，研究者们把注意力主要集中在新型的阻变存储器，基本原理为利用高阻态和低阻态来存储0和1，并且这两种状态能够被控制和转换。
Resistive RAM，简称RRAM，中文翻译为阻变存储器，是一种具有记忆功能的非线性电阻。
结构为上下两层为金属电极层，中间为氧化物绝缘层。
氧化物在上下两层电极电压作用下会呈现出电阻转变特性。
RRAM具有高速、低压低功耗、结构简单、可高密度集成、数据保存时间长、尺寸小等优点。
还与传统的CMOS工艺兼容。
1.2 新型非挥发性存储器1.2.1 铁电存储器（FRAM）铁电材料具有自发极化的特性，在外加电场的作用下可以改变极化方向。
当施加正反电场再撤去后，会剩余两种极化状态[1]，可以用此来代表0和1。
工作原理如图1所示：图1铁电存储器的优点为：功耗较低、读写速度快、读写次数高、断电后资料可以储存下来。
但因为存储密度低、有污染等缺点所以并无良好的发展前景。
1.2.2 磁致电阻存储器（MRAM）磁致电阻存储器储存信息利用的是电子自旋方向的不同代表0和1。
信息存储材料及技术
磁阻、巨磁阻效应－
1971年有人提出利用铁磁多晶体的各向异 性磁电阻效应制作磁记录的信号读出磁头。 1985年IBM公司实现了这一设想。此后， 磁记录密度有了很大的提高。磁阻磁头主要 采用Ni－（Co，Fe）系列的铁磁合金材料， 其主要特点当电流与磁场平行和垂直时其电 阻率有较明显的变化。
上世纪80年代末法国巴黎大学Fert教授课 题组提出和发现的巨磁阻（GMR）效应可 使Ni－Fe系列磁阻效应高一个数量级以上， 引起极大轰动，也为磁头技术带来了突飞猛 进的发展。该项成果也获得了2007年诺贝 尔物理奖。
尽管Flash存储器在市场上获得了巨大成功，但是， 随着特征尺寸的不断减小，传统Flash存储器将面临着 许多缺陷和难题。一方面，由于Flash存储器的写入电 压较高、读写速度较慢(μs量级)和功耗较大，因而需要 特殊的电压提升结构从而加大了电路设计的难度。另外， 传统的Flash存储器的可擦写次数比较低，因此，目前 仍无法取代RAM，应用于高速计算、读写频繁的随机存 储。另一方面，传统Flash存储器的隧穿氧化层厚度的 减薄不能与技术代发展保持同步，同时单元尺寸的缩小 还会带来工艺涨落和随机涨落增加等难题，因此无法满 足信息技术迅速发展对超高密度存储的要求。技术界普 遍预测，NOR（高速）型Flash将止步于45 nm技术节 点，而NAND（大容量）型Flash也将在32 nm的技术 节点处达到极限尺寸。
可擦重写光盘存储技术－
可擦重写光盘的存储介质能够在激光辐射下 起可逆的物理或化学变化。目前发展的主要 有两类，即磁光型和相变型。前者靠光热效 应使记录下来的磁畴方向发生可逆变化，不 同方向的磁畴使探测光的偏振面产生旋转 （即克尔角）作读出信号；后者靠光热效应 在晶态与非晶态之间产生可逆相变，因晶态 与非晶态的反射率不同而作为探测信号。
RRAM器件的阻变机制
RRAM器件的阻变机制理想的非挥发性数据存储器（NVM）应该呈现的特性，如高密度和成本低、速度快的写入和读出访问、低能量的操作，并且相对于高性能续航能力（写循环使用性能）和良好的保留特性。
今天，硅基闪存存储设备是最突出的NVM，因为它们的高密度和低制造成本。
但是，Flash遭受低续航能力、低写入速度、较高的写操作电压。
此外，在不久的将来，进一步缩放，即，继续在增加的Flash 密度会碰到物理上的限制。
铁电随机存取存储器（FeRAM）和磁阻随机存取存储器（MRAM）覆盖了缝隙市场的特殊专用应用。
但是，达到和如今Flash相同密度时，铁电磁体随机存取存储器（FeRAM）和磁阻随机存取存储器（MRAM）在扩展性能上存在技术和固有缺陷等问题。
为了克服当前的NVM技术上的问题，对各种替代存储器技术进行了探讨。
最值得一提的是，基于电可切换电阻的NVM已经吸引了相当大的注意。
文章将覆盖特别有趣的阻变随机存取存储器（RRAM）课程，氧化还原反应和纳米离子迁移过程发挥了关键作用。
应该指出的是，尽管文章中叙述了很多细节问题，很多变种仍然完全未知的，我们目前所掌握的更多的是工作假设，而不是资金充足的物理模型的特点。
关键词：非挥发性存储器，阻变随机存取存储器，氧化还原反应，铁电随机存取存储器，磁阻随机存取存储器第一章绪论存储器应用于各种各样的电子设备产品中，在计算机系统中主要用来存储程序和数据。
计算机所需要的全部信息，包括输入的最原始数据、需要输出的数据、计算机程序、中间运行出来的结果和最终运行出来的结果都会保存在数据存储器中。
存储器采用了两种稳定状态来分别表示“0”和“1”。
目前，存储器所采用的材质主要是半导体器件和磁性材料。
存储器器件可以分为两类：挥发性存储器和非挥发性存储器。
挥发性存储器的特点是断电后所存储的信息全部丢失；相反，非挥发性存储器在断电的情况下，仍能保持所存储的数据信息。
选择挥发性存储器的一个重要原因是读取访问速度快。
阻变存储器单元结构及集成
阻变存储器单元结构及集成1.1 交叉阵列中的串扰图1. 1.1 交叉阵列结构集成中的串扰现象阻变存储器被认为是很有潜力的下一代存储器的候选者。
它具有电阻转变速度快、功耗低、存储密度高和良好的可缩小性特点。
由于具有最小的单元面积4F2，交叉阵列结构被认为是存储器最经济的集成方式。
但是，目前所报道的阻变存储器的低阻态I-V特性曲线几乎是线性且对称的（类似于电阻特性），在一个最简单的2×2交叉阵列结构中，如果有一个存储器单元处于高阻态而其他三个单元处于低阻态，在读取该高阻态的存储单元状态时电流将沿着三个处于低阻态的存储器单元形成一条漏电通道，如图1. 1.1所示，这就是串扰。
当阵列m×n（m, n>2）变得很大时，所述漏电通道将增多，漏电流增大从而导致误读。
目前解决误读最有效的方法就是在每个存储单元上集成一个晶体管或者二极管构成有源结构和无源结构。
1.1.1 有源结构在有源结构单元中，使用一个晶体管和阻变存储器串联来形成one transistor one resistor（1T1R）。
如图1.1.1所示，在1T1R结构中，晶体管起到选通和隔的作用。
当对阻变存储器单元操作时，晶体管导通，这样就选择了所需操作的单元；而其他阻变存储器单元的晶体管关闭，这样能够避免对周围单元产生串扰和误操作，起到隔离的作用。
1T1R结构中器件的最小面积取决于选择晶体管的大小，最小单元面积为6F2。
2002年Zhuang等人首次采用0.5 μm CMOS工艺制备了基于1T1R结构的64位的RRAM阵列。
1T1R结构集成时是将晶体管在前端工艺完成，而RRAM存储器件则在后端工艺完成，由于RRAM存储器在后端工艺完成，所以必须考虑热预算，工艺温度不可过高。
图1.1.1 1T1R 结构阻变存储器单元示意图1.1.2 无源交叉阵列结构相比于有源结构单元，由于具有最小的单元面积4F2，无源的交叉阵列结构被认为是存储器最经济的集成方式。
阻变存储器及其集成技术研究进展
第39卷第4期2009年8月微电子学MicroelectronicsVo l 39,N o.4Aug.2009收稿日期:2008-11-19;定稿日期:2009-02-23基金项目:国家高技术研究发展(863)计划基金资助项目(2008A A031403);国家重点基础研究发展(973)计划基金资助项目(2006CB302706);国家自然科学基金资助项目(60825403,90607022,60506005)动态综述阻变存储器及其集成技术研究进展左青云,刘 明,龙世兵,王 琴,胡 媛,刘 琦,张 森,王 艳,李颖弢(中国科学院微电子研究所纳米加工与新器件集成技术实验室,北京100029)摘 要: 在各种新型非挥发性存储器中,阻变存储器(RRAM )具有成为下一代存储器的潜力。
介绍了RRAM 器件的基本结构,分类总结了常用的材料以及制备工艺,对RRAM 阵列的集成方案进行了比较,并讨论了目前存在的问题;最后,对RRAM 的研究趋势进行了展望。
关键词: 非挥发性存储器;阻变存储器;电阻转变中图分类号:T P333.5文献标识码:A文章编号:1004-3365(2009)04-0546-06Progress in Development of Resistive RAM and Its Integration TechnologyZU O Qingyun,LIU Ming,LON G Shibing ,WAN G Qin,H U Yuan,LIU Qi,ZH ANG Sen,WAN G Yan,LI Yingtao(K ey L aborator y of Nano -f abrication and N ov el Dev ice s I nte gra ted Tec hnology ,I nstitu te of M icr oelec tr onics,T he Chinese A cade my of Sc ienc es,Be ij ing 100029,P.R.China)Abstract: Resistive r andom access memor y (R RA M )is one of the most pr omising candidat es for nex t generationof no n -volatile memo ry.T he basic structur e of R RA M w as described.R esist ive sw itching materials and electrodes for R RA M wer e summar ized,and t heir fabrication technolog ies wer e reviewed.Different techniques fo r integ ration of RR AM ar ray w ere discussed and exist ing pr oblems wer e analyzed.A nd finally,the research trend o f RR AM w as discussed.Key words: No n -v olatile memo ry ;Resistiv e rando m access memor y (R RA M );Resistiv e sw itching EEACC : 1265D1 引言随着集成电路工艺32nm 技术节点的来临,传统的Flash 非挥发性存储器遇到了一系列的问题。
RRAM的阻变特性研究
RRAM的阻变特性研究宋玲【摘要】阻变存储器（RRAM）是一种基于阻值变化来记录存储数据信息的非易失性存储器（NVM），RRAM具有存储单元结构简单、工作速度快、功耗低等诸多优点，因而受到广泛关注。
主要从三方面论述 RRAM的阻变特性。
%RRAM (Resistive random access memory)is non -volatile memory (NVM),which stores records based on changing resistance.RRAM is extensively concerned because of its excellent characteristics such as simple cell structure,high speed and low power.This paper introduces RRAM's varaiable resistance characteristics in three aspects.【期刊名称】《微处理机》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】3页(P24-25,29)【关键词】阻变存储器;阻变;非易失存储器【作者】宋玲【作者单位】中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110032【正文语种】中文【中图分类】TP21阻变存储器（RRAM）是一种基于阻值变化来记录存储数据信息的非易失性存储器（NVM）。
作为下一代NVM存储器的有力竞争者，RRAM显示出了优异的电学性能及良好的CMOS兼容性，它具有结构简单、尺寸小、保持时间长、擦写速度快、操作电压小、非破坏性读出和与传统CMOS工艺兼容性好等优点，被学术界和工业界看好。
阻变现象是RRAM器件所特有的物理现象，它是利用某些薄膜材料在电脉冲激励下可以具备不同的电阻状态而进行信息存储的NVM技术。
实际上早在1967年，Simmons JG和Verderber R R等人就在SiO材料中观测到了电阻转变现象，而直到2000年Ignatiev A等人报道了他们在稀土掺杂锰氧化物镨钙锰氧（Pr0.7Ca0.3MnO3，PCMO）中发现了电脉冲诱发变阻效应以后，这种电致变阻现象才引起了世界各国学者的广泛关注。
三大新兴存储技术：MRAM、RRAM和PCRAM
三大新兴存储技术：MRAM、RRAM和PCRAM在如此庞大的资料储存、传输需求下，在DRAM、SRAM以及NAND Flash等传统记忆体已逐渐无法负荷，且再加上传统记忆体的制程微缩愈加困难的情况之下，驱使半导体产业转向发展更高储存效能、更低成本同时又可以朝制程微缩迈进的新兴记忆体。
其中有3种存储器表现突出——MRAM、RRAM和PCRAM。
存储器，作为半导体元器件中重要的组成部分，在半导体产品中比重所占高达20%，是一个重要的半导体产品类型。
目前存储器行业的主要矛盾是日益增长的终端产品性能需求和尚未出现重大突破的技术之间的矛盾，具体一点来说，是内存和外存之间巨大的性能差异造成了电子产品性能提升的主要瓶颈。
同时，我们不希望让摩尔定律增速放缓限制人工智能时代的计算增长，我们是否为半导体设计和制造提供了一个新的剧本。
这一战略思想支撑着今天针对物联网和云计算推出的新一代高容量记忆体制造系统。
MRAM（Magnetic RAM）MRAM（磁性随机存储器）它靠磁场极化而非电荷来存储数据，存储单元由自由磁层、隧道栅层、固定磁层组成。
自由磁层的磁场极化方向可以改变，固定层的磁场方向不变，当自由层与固定层的磁场方向平行时，存储单元呈现低电阻；反之呈高电阻，通过检测存储单元电阻的高低，即可判断所存数据是0还是1。
MRAM当中包括很多方向的研究，如微波驱动、热驱动等等，传统的MRAM和STT-MRAM是其中重要的两大类，它们都是基于磁性隧道结结构，只是驱动自由层翻转的方式不同，前者采用磁场驱动，后者采用自旋极化电流驱动。
对于传统的MRAM，由于在半导体器件中本身无法引入磁场，需要引入大电流来产生磁场，因而需要在结构中增加旁路。
因此，这种结构功耗较大，而且也很难进行高密度集成（通常只有20-30F2）。
若采用极化电流驱动，即STT-MRAM，则不需要增加旁路，因此功耗可以降低，集成度也可以大幅提高。
MRAM的研发难度很大，其中涉及非常多的物理。
二元氧化物忆阻器材料及其在突触领域研究进展
DOI:10.19551/ki.issn1672-9129.2021.08.167金融学专业中外合作办学问题及对策章㊀郡㊀㊀胡㊀霄㊀㊀蔡㊀琳(武汉东湖学院㊀湖北㊀518000)摘要:全球经济的发展在一定程度上促进了我国经济的快速发展㊂只有牢牢抓住机遇,我国经济才能高速发展㊂这门课程需要很多人才,尤其是金融专家,这对中国大学的教育工作提出了更高的要求㊂大学培养的人才必须能够满足社会的发展和需求,并满足社会的包容性需求㊂与过去相比,我国的高等教育有了显着改善,但还不完善㊂由于受过训练的大学生无法充分满足社会的需求,因此必须引入国外的教学方法和教学模式㊂本文主要分析了金融学专业中外合作办学的问题,并针对这些问题提出了具体的解决方案㊂关键词:金融学;运营;中外合作;措施中图分类号:F830-4;G648.9㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1672-9129(2021)08-0173-01㊀㊀1㊀金融学专业中外合作办学中存在的问题1.1教科书的问题㊂一些接受中外合作教育的金融大学向外界宣称,他们正在从国外进口他们使用的教科书,实际上,这些学校的金融教科书根本没有引入外国教科书,即使引入了外国教科书,教师也没有在实际教科书中有效地利用它们㊂为了提高国内外学校运营的质量,一些大学引入了许多外国金融教科书和大纲㊂但是,由于学校没有为引进的教科书提供固定的评估标准,因此引入了许多质量较差和不合适的教科书㊂不仅教科书没有提高教育质量,而且由于教科书的不合理性,金融专业的学习效果大大降低㊂以上两种情况反映了大学的中外合作教育理念,但并未真正实现中外合作教育的内容㊂1.2低级合作伙伴㊂一些合作伙伴的学术和教育水平不能得到完全保证,对合作伙伴的具体条件也没有清晰的了解㊂因此,我国大学在学校运营中的中外合作总体水平较低,可引进的教育方法和教育资源不足以开展深入合作㊂此外,为了吸引学生并增加在校学生的数量,许多大学在公关过程中夸大了中外合作教育的一流质量,因此大大降低了教育质量㊂1.3教师专业性问题㊂金融专业需要很多中外合作的高级教师,但如今,我国教师教育水平参差不齐,而恰好这个专业的教师要求比普通专业更高,因此在聘请老师时,不仅要注意他们的的工作和教学经验,还要注意他们各个方面的能力㊂然而,目前在金融专业任职的教师有高学历,但没有相关的工作经验和出国留学经验,或者没有实践经验和出国留学经验,但是学历相对较低㊂另外,还应具有开放思想的年轻教师,年长的老师是教学团队的坚决拥护者,年轻的老师是教学团队的领导者,二者共同努力,以提高整体教学质量㊂2㊀完善金融学专业中外合作办学的措施2.1选择适合中外合作管理的教科书㊂为了提高中外金融合作的教育质量和水平,首先要解书本问题,改善金融课书本的质量㊂目前,我国大多数已经进行中外合作的学校并没有使用国外的教科书,依旧使用根据我国的基本国情编写的书,虽然适合所有学生,但是由于中外合作教育所要培养的人才是国际人才,中外合作教育的金融学生必须了解本国国情和金融发展,也要了解金融发展㊂但是,国内的教科书无法为金融专业的学生提供这样的学习内容㊂为真正实现中外合作经营金融专业,培养国际人才的目标,应利用中英文双语教科书或英文原版教科书㊂除了国内外教科书所关注的国家以外,还有另一个明显的区别㊂换句话说,国内教科书更侧重于理论,而外国教科书更侧重于实践㊂金融专业的学生不仅可以使用外国教科书来拓宽视野,而且可以将自己的知识与国外的现状相结合以达到国际水平㊂2.2选择合适的合作伙伴㊂我国大学中外合作过程中选择的合作目标水平决定了学校管理中的合作水平㊂想要中外合作教育的质量高,我们的合作伙伴的教学质量就必须高,教学资源必须丰富㊂反之,如果合作伙伴的教学质量较差,教学资源不足,学校的教学质量就会大大降低了㊂因此,大学在开展学校运营中的中外合作时必须选择合适的合作伙伴,在发展中外金融合作教育之前,大学应该对外国合作大学和大学进行充分的了解和详细分析,对外国学校办学的能力和资格有深入的了解㊂2.3教师质量的提高㊂如果教师水平不高,那么我们想要金融专业的合作质量就不会高㊂如果还有别的专业的参与,教学能力就很高,因为合作教学的质量还不错,因为教学经验非常丰富㊂可以看出,财务教师的专业水平与合作教育水平直接相关㊂要培养国际金融人才,必须首先确保培训团队的国际化㊂可以派一些金融教师到外国合作伙伴或其他享有声誉的学校学习,以增进他们的知识并丰富他们的学习经验㊂金融专业的教师必须具有出国留学的经验,还需要回到中国,招募到国外学习的硕士或博士,并招募优秀的外国教师㊂3㊀总结为社会培养高层次的人力资源,合作教育的发展已在一定程度上解决了这一问题㊂现在,已经有好几所大学正在按这个标准进行合作教育,通过使用外国教科书,有高质量的教师,老师的教学质量和学生的学习质量有了很明显的进步,相比之前取得了相当不错的成绩㊂参考文献:[1]张漾滨.改革开放以来中外合作办学问题研究[D].河北师范大学,2008[2]李晨.高等教育国际化背景下的中外合作办学研究[D].青岛大学,2007[3]王悦,房红.中外合作办学存在的问题及对策[J].科技创业月刊,2014(2)[4]贾欣宇,裴英凡,房红.基于中外合作办学的金融学专业人才培养模式研究[J].科技创业月刊,2015(10)DOI:10.19551/ki.issn1672-9129.2021.08.168二元氧化物忆阻器材料及其在突触领域研究进展周小霞㊀邵一凡㊀杨㊀晗㊀王敬蕊(宁波工程学院㊀浙江㊀315211)摘要:近几年该材料在突触仿生功能的运用,让人们对人造神经网络有了更深一步的认识,同时也被认为实现高效脑人工神经网络的独特器件㊂本文将综述近几年研究的二元氧化物材料,如:ZnO㊁TiO x㊁SiO x㊁WO x㊁HfO x㊁TaO x㊁ZrO x氧化物材料关于突触仿生功能的实现,也将概述氧化物材料特点㊁目前采用的制备为忆阻器的方法㊁突触领域的现有研究,并展望未来该领域的更多可能性㊂关键词:二元氧化物;忆阻器;神经元;突触中图分类号:TN606㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1672-9129(2021)08-0173-02㊀㊀引言:忆阻器,全称记忆电阻器(Memristor),表示磁通与电荷之间的关系,最早是由华裔科学家蔡少棠提出,后由惠普实验室证实了它的存在㊂目前基于忆阻器实现的神经网络架构中,通常使用电导表示权重,其用施加电压㊁检测电流的方式来更新和读取权重的过程存在不可避免的电能损耗㊂由于忆阻器的逻辑运算和存储功能的突出特点,也是硬件实现人工神经网络突触的最好方式㊂1㊀忆阻器人工突触功能仿生突触作为连接神经元的重要且必要接口,它的连接强度即权值会随着实现功能过程的不断改变而做自身的调整,脉冲信号是通过神经元产生㊁而经突触传递的,因此,神经元和突触的模型建立是构建脉冲神经网络模型中最重要的两部分㊂1.1突触可塑性㊂人工突触器件的电导可以模拟式地连续调节功能的实现是模拟生物神经突触的可塑性的必要条件㊂㊃371㊃DOI:10.19551/ki.issn1672-9129.2021.08.169关于无机非金属材料的发展趋势浅谈康宇瀚(重庆科技学院㊀401331)摘要:我国金属能源供应不足㊂无机非金属材料是我国现代工业,农业和国防发展必不可少的一部分,本文分析了无机非金属材料工业的发展趋势㊂在考察了国内无机非金属材料的发展现状后,考虑理论指导对材料科学未来发展的影响的同时,对无机非金属应用和发展趋势提出了一些建议㊂关键词:无机非金属;发展趋势中图分类号:TB321㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1672-9129(2021)08-0174-02㊀㊀引言:新型无机非金属材料的出现是为了朝鲜军队的发展,由于后来对无机非金属的深入研究,按照当前材料工业的发展趋势,新型无机非金属材料复合材料被广泛应用于各个领域,并逐渐取代现有的材料,例如,在汽车速度控制,城市建设等行业中,无机非金属材料取代所有普通材料的趋势十分明显㊂1㊀无机非金属材料的优点对金属材料,有机材料和无机非金属材料这三种材料的分析研究表明,无机非金属材料具有很强的完整性㊂由于无机非金属材料本质上是固体材料,因此无机非金属材料具有相对稳定的物理和化学性质,并且在使用过程中不会发生无机非金属材料的老化和风化㊂第二,在正常情况下,无机非金属材料可以承受0.5H-1.0H的高温影响,属于耐火材料中的第一至第三类耐火材料㊂其次,无机非金属材料的结构相对稳定并且具有致密的结构,因此无机非金属材料在防水方面起着很大的作用,并且无机非金属材料可以有效地防止土地和土地的渗透㊂2㊀无机非金属材料的缺陷和措施2.1缺陷㊂从客观的角度来看,无机非金属材料在许多方面表现都相对较好,但这并不意味着该材料没有缺陷㊂相反,目前正在研究的无机非金属材料在缺陷方面更为突出㊂从类别的角度来看,无机非金属材料的问题包括附着力不足,陶瓷现象,陶瓷层破裂和麻泡沫㊂这些缺陷使无机非金属材料无法获得所需的效果㊂最终产品也不理想㊂此外,如果选择有缺陷的无机非金属材料进行生产和加工,则最终产品在使用过程中也会表现出更大的安全隐患,例如更大的爆炸,裂缝,光泽度下降等㊂这对生活和工作产生了不利影响㊂2.2解决方案㊂无机非金属材料中出现缺陷并非偶然,每种类型的缺陷都有其自身的原因,因此需要有效的方法来解决㊂为了避免缺陷的再次发生,有必要通过许多实验客观地选择的解决方案㊂首先,考虑到气泡和针孔的出现,在实际工作中,建议对表面进行有效的酸处理并稀释稀碱溶液,以免出现气泡和针孔㊂3㊀无机非金属材料的应用(1)在建筑工程中的应用㊂尽管我国的建筑业最近发展很快,但同时也出现了能源短缺的问题,但是非金属材料具有能够满足发展需求的优势㊂(2)适用于国防装备㊂作为新型的无机非金属材料,人造晶体㊁无机纤维㊁高级陶瓷等已广泛用于现代国防建设,是不可替代的材料基础㊂首先是人造晶体,其更广泛用于海底通信㊁电子对策㊁弹道制导㊁激光武器等,其次是由于其耐高温和高韧性而广泛用于航空航天的特殊陶瓷㊂4㊀无机非金属材料的发展趋势随着我国化学技术的飞速发展,化学工业日常生产中使用的材料种类也在增加,极大地提高了我国化学工业的发展水平㊂无机非金属材料已逐渐成为社会发展过程中相对普遍的创新材料,并已广泛应用于许多领域,特别是在绿色建筑,信息技术和军事领域㊂无机非金属材料产品丰富,衍生物相对较多,具有环保㊁节能㊁实际使用效率高的优点,可以有效地促进我国经济的快速发展㊂(1)低维发展㊂无机非金属材料的低维发展可以用宏观和微观两种方式表达㊂首先,从宏观的角度来看,低维㊀㊀1.2突触的电阻切换机制㊂忆阻器的电阻切换机制可被分为两种:一种是具有突变的高低两种电阻状态实现 0和 1 之间的储存㊂另一种则表现出电阻缓变的行为㊂2㊀二元氧化物材料二元氧化物相对于多元来说,结构相对简单,制备工艺以及CMOS兼容等优点,是研究突触仿生的重要材料,这些二元氧化物材料主要是来自过渡区的金属氧化物,以及部分镧系金属氧化物,在这些材料中,ZnO㊁TiO x㊁SiO x㊁WO x㊁HfO x㊁TaO x等材料备受研究者的关注㊂2.1ZnO㊂ZnO一般具有良好的生物相容性,并且成本较低,对环境友好的优秀阻变材料㊂ZnO的纯电子结构构成的忆阻器件,它可以模拟生物的神经突触仿生功能和长程可塑性的学习行为㊂ZnO作为最常用的氧化物材料,经常作为一介质层参与其他材料的忆阻器性能测试㊂目前制备该忆阻器件的方法有电沉积㊁热氧化㊁纺丝涂层方法等,不同方法制备出来可有不同特性㊂2.2TiO x㊂TiO x是最具有代表性的一个氧化物忆阻器,忆阻器的实物发现则是惠普实验时提出的TiO x双层结构( 三明治 结构)模拟器㊂由于该忆阻器件本身性能的可靠性㊁稳定性㊁良好可透性㊁成本低㊁易于制造以及有很高的介电常数等性质㊂目前现有的资料显示,由于该物质在现实生活中应用很广泛,故该忆阻器件的制备方法也呈现多样性㊂2.3WO x㊂WO x材料在近几年移动电子需求增加的趋势下,因为它出色的耐受力,灵活的可控性,且当前CMOS工艺兼容结构简单等优良特性,该忆阻器件将成为下一代非易失性存储器的理想选择㊂由于该器件记忆神经网络的低功耗和高集成度等优点,这一功能也就被广泛运用在图像识别㊂2.4SiO x㊂SiO x具有半导体电阻特性且物质的超硬度㊁不易传热等特点,是当前电子技术行业运用最广泛的忆阻器材料之一㊂目前制备SiO x忆阻器件可以通过磁控溅射㊁射频溅射等方法㊂由于SiO x在薄膜不能实现突触权重的可调性,在人工神经网络突出领域得到了限制,就解决该物质在突触领域的性能稳定和权重连续可调问题,仍然是目前实现SiO x在突触领域更好运用的重要问题㊂2.5HfO x㊁TaO x㊁ZrO x㊂HfO x㊁TaO x和SiO x一样,被当做最具潜力的忆阻器材料㊂其中TaO x独特的结构,还具有很好的CMOS兼容性,以此为基础制作出来的器件为新型忆阻器件提供了更优良的特性㊂TaO x和TiO x是现在三星公司研究的最主要研究材料,具有优良的突触可塑性㊂ZrO x㊁HfO x 材料的忆阻器都表现出较高稳定性,同时HfO x忆阻器件还具有低压㊁高速㊁重复性好等优点,可呈现相对于Ti㊁W等更好的突触性能 速度快㊁均一性好㊁可重复写入/擦除,且可以很好地模拟STDP㊁STM和LTM的学习 遗忘 再学习等突触功能㊂3㊀忆阻器在突触领域应用前景现如今,人工智能是现在科技的发展热点,在计算机系统领域有着广阔的前景优势,且忆阻器作为可以实现人体大脑神经网络的重要器件,在这方面的运用或许可以成为改变IT行业的重要器件㊂忆阻器模拟人体大脑突触结构通过脉冲信号实现信息传输,并且它的学习规则与神经网络极其相似㊂结语:忆阻器可通过不同的阻变机制模拟不同的突触功能,上述所有二元氧化物的实现途径都是基于氧空位原理,因此可以明白他们之间的通性 CMOS技术兼容性㊁可操作性强,尺寸小等特点㊂参考文献:[1]李清江,刘海军,徐晖.忆阻器的发展现状与未来\ [J\].国防科技,2016,37(06):9-16.[2]承艳坤,林亚,王中强,徐海阳,刘益春.WO x基忆阻器的信息存储及神经突触仿生研究\[J\].微纳电子与智能制造,2019,1(04):112-120.[3]承艳坤,林亚,王中强,徐海阳,刘益春.WO x基忆阻器的信息存储及神经突触仿生研究\[J\].微纳电子与智能制造,2019,1(04):112-120.(本文通讯作者:王敬蕊)㊃471㊃。
阻变存储器和忆阻器的关系
阻变存储器和忆阻器的关系
阻变存储器和忆阻器是两种不同的电子元件，它们在电路中起
着不同的作用。
尽管它们都与电阻有关，但它们的工作原理和应用
领域却有所不同。
首先，让我们来看看阻变存储器。
阻变存储器，也称为电阻随
温度变化存储器（RRAM），是一种能够在电压作用下改变电阻值的
存储器。
它通常由两个电极之间夹杂着一种特殊的材料组成，当施
加电压时，材料的电阻会发生变化，这种变化可以用来表示数字信息，因此阻变存储器被广泛应用于非易失性存储器和人工智能领域。
而忆阻器则是一种基于忆阻效应的电阻器件，它的电阻值会随
着施加的电压或电流的变化而发生改变。
忆阻器的工作原理是基于
电子在材料中的迁移和重新排列，这种效应可以被用来存储信息或
者进行模拟神经元的计算。
因此，忆阻器在人工智能、神经网络和
模拟电路等领域有着广泛的应用。
尽管阻变存储器和忆阻器都与电阻有关，但它们的工作原理和
应用领域却有所不同。
阻变存储器主要用于存储数字信息和逻辑运算，而忆阻器则更多地用于模拟神经元和进行神经网络的计算。
然
而，这两种元件都代表了新一代存储和计算技术的发展方向，将在未来的电子领域发挥重要作用。
基于氧化物忆阻器的阻变存储与神经突触特性研究
基于氧化物忆阻器的阻变存储与神经突触特性研究基于氧化物忆阻器的阻变存储与神经突触特性研究概述近年来，随着人工智能和神经网络等领域的飞速发展，人们对于开发新型存储器和脑-机接口的需求也越来越迫切。
在这一背景下，基于氧化物忆阻器的阻变存储技术引起了广泛关注。
氧化物忆阻器是一种具有可调节阻抗和非挥发性记忆特性的器件，被认为是下一代非易失性存储器的有力竞争者。
此外，氧化物忆阻器还具备模拟神经突触特性，因此也可用于开发脑-机接口技术。
本文将对基于氧化物忆阻器的阻变存储与神经突触特性进行研究和探讨。
1. 氧化物忆阻器的工作原理氧化物忆阻器通常由金属/氧化物/金属结构组成，中间的氧化物薄膜是存储和调节器件电阻的关键。
在正向电压下，氧化物忆阻器处于高电阻状态，其内部缺陷被电场压缩并难以运动。
而在反向电压下，氧化物忆阻器处于低电阻状态，内部缺陷被电场拉伸使其易于运动。
通过控制电压的极性和大小，可以实现阻值的高低切换，从而实现存储功能。
2. 阻变存储器的特性与应用氧化物忆阻器作为一种阻变存储器，具备多种独特特性。
首先，它具有非挥发性，即当电源断开时，存储数据依然保持不变，这对于节约能源和提高存储能力非常有益。
其次，氧化物忆阻器还具备快速读写速度和良好的可靠性，可以满足大规模数据存储和处理的需求。
此外，氧化物忆阻器还具备多态性能，即可以调节阻值和存储信息，使其在数据存储和处理中具备更加灵活的应用。
氧化物忆阻器不仅可以应用于传统存储器中，还可以模拟神经突触特性，为脑-机接口技术的开发提供了新的可能。
神经突触是大脑中神经元之间传递信息的连接点，其具有类似于忆阻器的可调节电阻特性。
通过调节氧化物忆阻器的阻值和学习算法，可以模拟神经突触的突触可塑性和自适应学习能力。
这为脑-机接口技术的发展提供了新的思路，有望实现人机之间的高效信息交互和智能控制。
3. 氧化物忆阻器的材料研究与优化为了提高氧化物忆阻器的性能，研究人员对其材料进行了广泛的研究与优化。
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二元金属氧化物阻变存储器概述半导体器件的尺寸随着摩尔定律的不断缩小是支撑集成电路和信息技术快速发展的原动力。
然而基于电荷存储机制的Flash 存储器作为当前主流的非挥发性存储技术随工艺技术代拓展遇到严重的技术瓶颈，已经无法满足信息技术迅速发展对超高密度存储的要求。
为了延续摩尔定律的前进脚步，许多基于其它存储概念的新型非挥发性存储技术受到科研界和学术界的广泛关注。
其中，基于薄膜材料的可逆电致电阻效应的阻变随机存取存储器(resistive random access memory,RRAM)，因其具有简单的器件结构、低压低功耗操作、高速擦写和极佳的尺寸缩小性等优势，并且其材料与当前CMOS 工艺兼容，被认为是下一代非挥发性存储器的最有力竞争者之一。
在阻变存储器(RRAM)中，我们把研究的注意力集中在材料组分简单、容易控制，制造工艺与CMOS兼容的二元金属氧化物上，创新性地研究了掺杂二元金氧化物的电阻转变特性。
主要研究了Au/ZrO2:Au/n+ Si，Au/HfO2:Cu/n+ SiCu/ZrO2:Cu/Pt这三种材料结构的阻变特性，分析了各自电阻转变的可能机制，发展了一套测试器件性能参数的电学测试方法。
实验结果发现在二元金属氧化物中掺杂可以有效的提高器件的成品率，我们认为这是由于人为引入的杂质能够调制与阻变密切相关的缺陷的分布和类型。
这项结果使得掺杂的二元金属氧化物材料具有很大的RRAM的应用潜力。
关键词：非挥发性存储器；电阻转变；阻变随机存储器；二元金属氧化物；多值存储；第一章绪论1.1 引言存储是一切生物的本能，松鼠存储过冬的松果；北极熊为冬天的漫长寒冷存储下厚厚的脂肪以冬眠；而人类的发展从未离开过存储。
从古至今，从原始人类存储食物，到现代人的信息交流，都离不开这个词。
我们存储的载体从山洞变成了冰箱，从毛皮变成了纸张，又从纸张变成了手机，电脑等电子产品。
随着人们的生活水平越来越高，越来越多人都拥有各种电子产品。
移动存储设备、手机通信设备以及数码相机等各种便携式数码产品走入了千家万户，人们的生活越来越便捷。
市场对非易失性数据存储目前主流的存储器有挥发性的动态随机存储器(DRAM)和静态随机存储器(SRAM)及非挥发性的“闪存”存储器(Flash)。
市场对存储器的要求变得越来越高，如今市场对存储器的要求是数据不易丢失，具有高速、高集成度和电可擦除等。
而非挥发性的“闪存”存储器(Flash)正好拥有以上优点，因此其在上世纪90 年代以来得迅猛的发展。
2006 年的销售额更是占据整个存储器市场的40%以上。
在2007 年，Flash 存储器市场规模达到了220亿美元，同时超过DRAM 成为目前市场出货量最大的存储器产品。
尽管Flash 存储器在市场上获得了巨大成功，然而，随着人类的需求越来越高以及工艺的不断完善，器件的特征尺寸不得不不断变小。
传统Flash 存储器的越来越多的缺陷和问题就暴漏了出来。
一，它的写入电压较高、读写速度较慢和功耗较大，因此需要特殊的电压提升，从而进一步加大了电路设计的难度。
而，传统的Flash 存储器的可擦写次数比较低(～106)，目前仍无法取代RAM，应用于高速计算、读写频繁的随机存储。
三，传统Flash 存储器的隧穿氧化层厚度的减薄不能与技术代发展保持同步，同时单元尺寸的缩小还会带来工艺涨落和随机涨落增加等难题，因此传统Flash 存储器无法满足信息技术迅速发展对超高密度存储的要求。
由于传统的Flash 存储器件遇到的可缩小性难题，替代Flash 的新型不挥发存储器应世而生。
其技术思路主要分为两类。
如图1.1所示。
一类是在传统的Flash 存储器的基础上进行的改进型路线，期望能将现有的存储技术推进到32 nm 技术节点以下，其代表性结构为纳米晶存储器[和电荷捕获型存储器。
另一类是在Flash 技术达到物理极限以后，采用完全不同的技术和新的存储机理的革命型路线，其代表性器件为铁电存储器(FRAM:Ferroelectric Random Access Memory)、磁存储器(MRAM: MagnetoresistiveRandom Access Memory)、相变储器(PCM: Phase Change Memory)和阻变存储器(RRAM: Resistive Random Access Memory)等图1.1 下一代非挥发性存储器发展趋势1.2 阻变随机存取存储器（RRAM）RRAM 全称为“Resistive Random Access Memory”，它主要是利用某些薄膜材料在电激励的作用下会出现不同电阻状态(高、低阻态)的转变现象来进行数据的存储。
电阻转变存储技术具有单极性电阻转变和双极性电阻转变两种操作模式，如图1.2 所示。
RRAM 的基本结构为金属-绝缘体-金属(M-I-M)和金属-绝缘体-半导体(M-I-S)结构，其中上面的金属薄膜作为上电极，中间的绝缘层作为阻变功能层，下面金属或导电的半导体衬底用作下电极。
具有阻变现象的材料非常丰富，特别是一些与CMOS 工艺兼容的二元氧化物也被报道具有较好的阻变存储特性.与其它新型非挥发存储器相比，RRAM 具有简单的器件结构、优秀的可缩小性、较快的操作速度和相对较小的功耗，因此成为下一代非挥发存储器的有力竞争者之一。
与此同时，RRAM 作为一个新兴的研究领域，还存在着许多问题需要解决，例如如何提高器件的存储窗口，如何减小器件的转变参数的离散性，如何降低器件的擦除电流等等；另外，导致材料发生电阻转变的微观机理还不是很清楚，也需要进一步的研究。
下一章将对RRAM 领域的研究进展进行详RRAM 可以做到不引入与常规CMOS 技术不兼容的材料，对标准的CMOS 工艺不产生破坏性的污染，这意味着研发和生产成本中无需巨大的专用设备投资，研发和成果转化周期都可大大缩短。
图1.2 (a)单极性电阻转变和(b)双极性电阻转变方式××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××1.3选题意义及研究内容本论文共分为八章，每章的主要内容如下：第一章，绪论。
主要介绍研究背景，引出以纳米晶浮栅存储器为代表的改进型方案和以RRAM 为代表的革命型方案。
第二章，概要介绍了RRAM 器件的发展，分析了RRAM 的基本转变特性和操作，概述了有源和无源的阵列结构、具有电阻转变效应的材料以及电阻转变的机制。
第三章，制备并测试分析了Au/ZrO2:Au/n+ Si、Au/HfO2。
的电阻转变特性。
第四章，总结全文工作，并对未来工作进行展望。
第二章：RRAM概述2.1RRAMRRAM 存储技术是以薄膜材料的电阻在电激励下可以实现高、低阻状态的可逆转变作为基本的工作原理。
早在20 世纪60 年代就已经出现对于薄膜材料的阻变现象的相关报道，但是，由于薄膜材料的制备技术的限制而未能引起广泛的关注。
近年来随着材料制备技术的飞速发展和传统闪存器件遇到的可缩小性问题，RRAM 再次引起了广大半导体公司和科研人员的重视。
随着Sharp 公司[在2002 年的IEDM 会议上报道了基于Pr0.7Ca0.3MnO3 薄膜材料的RRAM 器件以后Samsung、Spansion、Hitachi、Infineon、Fujitsu 和Panasonic 等公司也陆续在近几年的IEDM 会议中报道了基于其它材料体系的RRAM 器件的研究工作[5-16]。
众多的材料体系被报道具有电阻转变特性，如有机材料(M-TCNQ、AlQ3和MEH-PPV 等)[17-37]，固态电解液材料(CuS、AgS、AgSeS 和CuSeS 等)，多元金属氧化物(PCMO、STO 和SZO 等)[58-90]，二元金属氧化物(ZrO2、NiO、TiO2、Ta2O5、CuOx 等)[91-139]和其它一些薄膜材料(Si、CuC 和Graphene 等)。
在这些材料体系中，二元金属氧化物具有结构简单、制备工艺成熟、易于CMOS 工艺集成等优点，更加受到大公司的青睐。
由于影响材料的电阻转变特性的因素很多，如制备工艺、掺杂物质、电极材料等。
因此，尽管有多种转变模型可用于阻变现象的解释，但目前科学界还没有形成统一的阻变模型当前报道的RRAM存储器件在综合性能上还存在一些不足(特别是器件的均匀性、稳定性和可靠性)，因此，寻求环境友好、与CMOS 工艺兼容并具有优秀存储特性的RRAM 材料体系仍然是RRAM 向产品化发展的重要问题[144]；同时，探明阻变现象的微观机制也是进一步提高器件性能的必要条件。
在这一章中，我们将从阻变材料、阻变机制、集成结构等方面对当前RRAM 领域的研究成果和发展趋势进行综述。
2.2阻变存储器的材料2.2.1有机材料有机材料的电学双稳态效应被研究的相当地广泛。
在有机物中的电阻转变结构中，一般可以见到在有机物薄膜内加有金属性的纳米颗粒或者是掺有其它的有机物。
这和钙钛矿类型的氧化物相似，电阻转变功能层薄膜是不完美的晶体结构。
而目前所研究的有机材料众多，其研究结果也大多不一样，其电阻的改变原因更是有多种解释理论，而除了直流电压操作外，有机双稳态器件也可使用电压脉冲操作，但由于高分子材料本身的导热性不佳，使得在连续操作上必须有较长的间隔，所以操作速度会较慢，另外器件的耐受性也存在一定的问题。
2.2.2固态电解液材料固态电解液材料通常是快离子导体，一般为含有Ag 和Cu 的硫系化合物.将固态电解液材料夹入易氧化金属电极(如Ag 和Cu 等)和惰性金属电极(Pt、W。
和IrO 等)形成的三明治结构组成了RRAM 领域内非常重要的一种存储器类型，通常被称为PMC(Programmable Metallization Cell)[38]或CBRAM(ConductiveBridging RAM)[39]。
CBRAM 的阻变机理比较清晰，导致其电阻转变现象的原因是由易氧化金属电极材料的电化学反应和阳离子迁移引起的金属性导电细丝的形成和破灭。
2.2.3多元金属氧化物包括PrxCa1-xMnO3 类型复杂氧化物和三元钙钛矿类型氧化物2.2.3.1 PrxCa1-xMnO3 类型复杂氧化物2000 年，美国休斯顿大学的A. Ignatiev研究小组报道了多元金属氧化物薄膜Pr0.7Ca0.3MnO3在不同极性的电脉冲激励下会发生可逆电致电阻效应(EPIR,electric-pulse-induced resistance)，其电阻值会在相差10倍以上的两个状态间变化，如图2.1所示。