01 题目及来源

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02 这篇文章讲了什么

1、这是一篇综述,主要讲了一种新的存储器类别——RRAM(电阻开关随机存储器),从各个方面阐述了它的分类和不同分类对应的机理。

2、分别讲了:RRAM的类型、电化学金属化系统、价变化系统、热化学系统、扩展潜力和可选架构

03 分章笔记

Classification of RRAM Types and Physical Storage Mechanisms

1、随机存储器中的存储单元按矩阵来组织,行和列对应的分别是字行(word lines)和位行(bit lines)。随机存储器的存储单元会连接到外围的电子放大器来进行“读”和“写”操作。

2、综述里举了两种RRAM的电路结构示意图:

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第一种:最基本的电路结构——非线性串行元件(NLE)+可变阻态的电阻单元(RS)

第二种:改进的电路结构——晶体管(T)+可变阻态的电阻单元(RS)

3、电阻式开关随机存储器中的存储单元采用类似电容的金属涂膜(MIM)结构构成,I指的是绝缘材料、M指的是电子导体(可以不同)。

4、MIM至少可以在两种阻态下进行电切换,且通常需要一个初始电循环来激活特性。可以通过编程或者施加外电压而使阻态发生变化。

5、高性能RRAM应具有的特性:读写性能好、开/关电阻态的阻值差异要大、高耐久性(可循环次数多)、高存储时间。

6、忆阻器具有记忆电阻的效应,即在不同电压/电流下具有不同的阻态,其电阻V/I取决于通过器件的电荷q(t)

7、综述里谈到了电阻记忆单元可大致分为两种基本结构:

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第一种:对应图(a),单极性阻变,SET操作和RESET操作不依赖于施加的电压极性。

第二种:对应图(b),双极性阻变,SET操作和RESET操作需要不同极性的电压。

从两张图中都可以看到,无论是OFF-state还是ON-state都有一定的区间而非突变,这就说明了电阻阻值具有一定的维持。

8、在本节中提到了记忆电阻效应的三个机理:双相电解金属化机制(ECM)、价变机制(VCM)、热化学机制(TCM),将在后面部分详细阐述。此外,相变存储器(PCM)也是一种记忆效应的机制。

Electrochemical Metallization Systems

1、本部分主要讲了电解金属机制的机理,如下图所示:

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其中,B、D分别表示了开、关状态。关状态即Ag和Pt之间没有Ag+形成的Ag桥,所以不导通;开状态有Ag桥,所以是导通状态;A、C分别表示了SET和RESET的过程,即Ag+形成Ag桥或Ag桥变为Ag+的过程。

其中,SET过程的关键步骤:(I)M的溶解:M→Mz++ze-;(II)Mz+的迁移:在电场作用下,离子通过电解质进行迁移;(III)发生阴极沉积反应:Mz++ze-→M。RESET过程与其类似;(IV)由于电晶化过程增强了电场,金属丝在有源电极方向上生长,当金属丝联通两M时,即使单元变为ON状态。

2、扫描速率与开关电压Vset的关系如下图所示:

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从图中可以看出,在扫描速率较低时,Vset接近临界SET电压;而当扫描速率较高时,则开关电压与扫描速率呈指数关系。

3、材料体系可以有一定的改动,这是因为ECM效应非常普遍,只需要电解质有出很大的目标阳离子导电性即可。例如,Ag/Ag-Ge-Se/Pt系统,如下图所示:

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Valence Change Systems

1、对于一些不易氧化或氧化形式不容易还原成金属的材料,ECM机制往往就会失效。但某些材料如SrTiO3仍然具有多组态效应,这种机制与氧离子的缺陷往往有关。

2、氧空位的富集和耗尽会影响金属阳离子的化合价态,并导致电子电导率发生重大变化。由于此类电阻切换现象中有价变化的一般特征,故称之为价变化记忆效应。

3、对于氧化物双层忆阻器件,表征如下图所示:

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如图a),表示了RESETSET时存储单元的势垒示意图;如图b),电流以及电阻(表征了记忆单元的特性)随隧道氧化物厚度变化而变化的关系;如图c),模拟在RESET期间氧空位随时间的变化曲线。

Thermochemical Systems

1、本部分主要介绍了在过渡金属中所观察到的热化学电阻变换效应,其中最突出的材料是NiO。

2、如下图所示,在10K到300K的温度范围内,Pt/NiO/Pt系统的开关电阻只与温度有关:

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3、热效应导致的电阻记忆是因为超过临界电场强度时,发生了热击穿现象而使电流导通。

4、局部的热失控可能首先导致电子导通状态,但该状态不会导致电阻的永久变化,因此被称为阈值切换;但若继续施以较大的电场强度,可能导致氧化还原反应的发生,而建立永久的ON状态。

04 未来前景与总结

1、主要是可以用于变革原计算机单纯的冯·洛伊曼体系,用RRAM集成CMOS作为计算机存储单元,进而基于纳米级Crossbar构建一台完整计算机。

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如上图,利用斜交叉阵列作为FPGA的查找表。

2、以上提到的三种不同类型的机理,核心均与氧化还原反应有关。核心思路即在不同情况下,电极之间的导通以及断联。在导通和断联之间往往具有一些过渡阶段,从而使电阻的阻值有一定的迟滞性,而这正是电阻能有“记忆效应”的核心机理。