二元金屬氧化物憶阻器的性能優(yōu)化研究進(jìn)展

丁 俊 ，何慧凱

（1. 中國電子科技南湖研究院，浙江 嘉興 314002；2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230000）

0 引言

過去幾十年， 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一直是基于馮·諾依曼架構(gòu)運(yùn)行的。 在這一架構(gòu)下，計(jì)算和存儲(chǔ)分布在兩個(gè)獨(dú)立的單元， 分別由CPU （Central Processing Unit）和存儲(chǔ)器完成。因此，數(shù)據(jù)需要在CPU 和存儲(chǔ)器之間進(jìn)行頻繁交換， 由此也引發(fā)了一系列問題，其中以功耗問題和存儲(chǔ)墻問題最為突出。隨著CPU算力的提升， 傳輸數(shù)據(jù)消耗的能量占比越來越高，計(jì)算等待的時(shí)間也越來越長。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長， 傳統(tǒng)的馮·諾依曼架構(gòu)已無法滿足智能化社會(huì)的需要，發(fā)展新型的存算一體技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫。憶阻器具有操作速度快、集成密度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，利用憶阻器取代晶體管，實(shí)現(xiàn)芯片的存算一體化，有望徹底解決存儲(chǔ)墻問題，最大程度地降低計(jì)算機(jī)功耗。

憶阻器最早是由蔡少棠教授在1971 年理論推導(dǎo)出來的[1]，它是除電阻、電容和電感之外的第四種無源電路元件。憶阻器的一個(gè)重要特征是它的電阻可以發(fā)生轉(zhuǎn)變，并且在撤去電壓后，阻值能夠保持不變。 自2008 年惠普實(shí)驗(yàn)室首次在物理上實(shí)現(xiàn)了憶阻器的制備與模型構(gòu)建以來[2]，研究人員對它在制備新型非易失性存儲(chǔ)器[3]、實(shí)現(xiàn)布爾邏輯運(yùn)算[4]和類腦神經(jīng)形態(tài)計(jì)算[5]等方面的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛而深入的研究。

目前， 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種材料具有電阻轉(zhuǎn)變的性質(zhì)，包括二元金屬氧化物、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物、硫系化合物和一些有機(jī)材料。 其中，二元金屬氧化物具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、 耐久性好和保持性優(yōu)異等優(yōu)勢，是當(dāng)前制備憶阻器最成熟且應(yīng)用最廣泛的材料，國內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)對二元金屬氧化物憶阻器展開了大量研究。

1 二元金屬氧化物憶阻器簡介

二元金屬氧化物憶阻器由于結(jié)構(gòu)簡單、組分易控、便于制造、性能穩(wěn)定、與CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，受到研究人員的廣泛關(guān)注。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的大量表現(xiàn)出電阻切換行為的二元金屬氧化物電極與阻變層材料[6]，如圖1 所示（淺灰色是阻變層材料，深灰色是電極材料）。其中，對 SiO2、TiO2、VO2、ZrO2、NiO、ZnO、HfO2、Ta2O5、Al2O3等材料的研究相對更為廣泛。

圖1 二元金屬氧化物憶阻器材料總結(jié)[6]Figure 1 Memristive materials of binary metal oxide[6]

二元金屬氧化物憶阻器的器件的單元結(jié)構(gòu)和堆疊結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。 其結(jié)構(gòu)單元通常由三部分組成，分別是頂電極、底電極以及發(fā)生憶阻現(xiàn)象的阻變層[7]，這種簡單的三明治結(jié)構(gòu)具有良好的擴(kuò)展性，可以擴(kuò)展成三端或四端器件。 當(dāng)多個(gè)憶阻器單元集成在一起時(shí)，多采用十字交叉陣列（Crossbar）結(jié)構(gòu)，互相垂直的上下電極可以通過較為簡單的工藝制成，便于施加電信號對中間的阻變層進(jìn)行操作。

圖2 憶阻器結(jié)構(gòu)單元（左）和二維交叉陣列堆疊結(jié)構(gòu)（右）示意圖[7]Figure 2 Schematic of a memristive device and memristor crossbar array[7]

憶阻器的導(dǎo)電機(jī)理與所選擇的阻變層材料和電極有很大關(guān)系，目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的理論可以解釋所有的憶阻現(xiàn)象。 總體來說，二元金屬氧化物憶阻器的憶阻機(jī)理可以分為導(dǎo)電細(xì)絲機(jī)理，包括電化學(xué)金屬化機(jī)理 （Electrochemical Metallization Mechanism，ECM）及價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)理（Valence Change Mechanism，VCM）[8]等，以及一些非導(dǎo)電細(xì)絲機(jī)理，例如肖特基發(fā)射 （Schottky Emission，SE）[9]、P-F 發(fā)射（Poole-Frenkel Emission）[10]、空間電荷限制電流（Space Charge Limited Conduction，SCLC）[11]、 陷阱輔助隧穿機(jī)理（Trap Assisted Tunneling，TAT）[12]等。

雖然二元金屬氧化物憶阻器在器件制備和實(shí)現(xiàn)存算一體芯片方面具有諸多優(yōu)勢，但是目前在器件穩(wěn)定性、參數(shù)波動(dòng)性和功耗等方面仍存在諸多問題。 器件參數(shù)波動(dòng)問題是指器件在高低阻態(tài)之間進(jìn)行反復(fù)切換的過程中，器件的操作電壓、操作電流和高低電阻值等開關(guān)參數(shù)會(huì)出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)。 這是因?yàn)殡娮枨袚Q是由導(dǎo)電細(xì)絲的重復(fù)形成和斷裂引起的。 伴隨著開關(guān)參數(shù)不可避免的隨機(jī)性，設(shè)法調(diào)節(jié)或控制導(dǎo)電細(xì)絲的形成和斷裂，減少這種波動(dòng)已經(jīng)成為憶阻器商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)[13]。此外，憶阻器在循環(huán)工作一定次數(shù)后， 器件的HRS/LRS（High/Low-Resistance States）比值會(huì)逐漸降低，即穩(wěn)定性下降， 主要原因是器件在循環(huán)過程中積累了過多的氧空位[14]。 通常對器件穩(wěn)定性的要求是循環(huán)耐久次數(shù)大于106， 目前已經(jīng)出現(xiàn)循環(huán)次數(shù)大于1012的器件的報(bào)道[15]。雖然憶阻器能夠?qū)⒂?jì)算和存儲(chǔ)融為一體，極大地降低數(shù)據(jù)交換所產(chǎn)生的的不必要的功耗，但是目前單個(gè)憶阻器件的操作電壓和電流還是過大，而且當(dāng)采取三維堆疊的方式集成后，功耗會(huì)更進(jìn)一步增大。

為了解決上述問題，制備出功耗低、循環(huán)次數(shù)高、 參數(shù)波動(dòng)性小的高性能二元金屬氧化物憶阻器，研究人員在電極、阻變層和二者之間的界面等方面展開了大量的研究。本文總結(jié)了研究人員在以上三個(gè)方面的最新進(jìn)展，通過對比發(fā)現(xiàn)，這些改進(jìn)方法對器件各個(gè)方面的性能都有顯著提高，極大推進(jìn)了憶阻器的商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。

2 二元金屬氧化物憶阻器的改進(jìn)方法研究進(jìn)展

目前，針對憶阻器功耗過高、穩(wěn)定性低和器件參數(shù)波動(dòng)大等問題，研究人員展開了大量研究。 電極選擇、界面工程、摻雜優(yōu)化和阻變層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是其中應(yīng)用最多的4 種性能提升方法，每種方法往往都可以優(yōu)化器件性能的多個(gè)方面。 如圖3 所示，對4 種優(yōu)化方法的相關(guān)原理、優(yōu)化效果和性能提升原因進(jìn)行了全面總結(jié)。

圖3 阻礙憶阻器應(yīng)用的主要問題及對應(yīng)的優(yōu)化方法Figure 3 The main problems hindering the application of memristors and the corresponding optimization methods

2.1 電極選擇

電極材料在電阻轉(zhuǎn)變過程中起著非常重要的作用。 一般來說，在選擇電極時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮電極功函數(shù)、氧親和力、界面反應(yīng)和相互擴(kuò)散等因素的影響[16]。在實(shí)驗(yàn)室研究中，一般常采用Pt 電極，但是Pt 電極難以刻蝕，與CMOS 工藝不兼容，所以也興起了對TiN、TaN 等化合物電極的研究。例如與Pt/HfOx/Pt 結(jié)構(gòu)的器件相比，ZrN/HfOx/Pt 結(jié)構(gòu)的器件表現(xiàn)出更好的耐久性（>106）和更長的數(shù)據(jù)保持時(shí)間（104s）[17]。 根據(jù) Lin等人的研究， 與 Pt/ZrO2/Pt 和 Al/ZrO2/Pt 相比，Ti/ZrO2/Pt 結(jié)構(gòu)的器件在開關(guān)電壓和電阻等方面表現(xiàn)出更窄的參數(shù)分布， 如圖4 所示。 說明更換金屬Ti作為上電極可以有效提高憶阻器的參數(shù)均一性[16]。

圖4 0.3V 下測量不同頂電極的ZrOx RRAM 的電阻和電壓參數(shù)變化[16]Figure4 Variations of the resistance and voltage parameters on ZrOx RRAM with different top electrode （measured at 0.3 V）[16]

此外，研究人員還嘗試運(yùn)用一些新型電極。 如ITO（Indium Tin Oxides）電極、碳納米管、n+（p+）-Si[18]和石墨烯等。 ITO 電極是一種具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、透光性和高硬度的活性電極， 它包含氧空位、In3+、Sn4+三種載流子。 根據(jù) Ye 等人的研究表明[19]，ITO電極中的活性Sn4+可靈活移動(dòng)，其參與阻變層材料的氧化還原反應(yīng)，會(huì)加速局部導(dǎo)電細(xì)絲的形成。 在其他研究中還發(fā)現(xiàn)ITO 電極在降低器件功耗、提高開關(guān)參數(shù)均一性等方面有優(yōu)勢。 例如，Li 等人沒有采用傳統(tǒng)的修改阻變層的方式優(yōu)化器件性能，而是通過將鉿加入 ITO 薄膜開發(fā)了一種鉿-銦-錫-氧化物的新型復(fù)合電極材料， 用以提高 RRAM（Resistive Random Access Memory） 的工作性能[20]。 如圖5 所示，從電學(xué)性能測試結(jié)果可以看出，使用這種復(fù)合電極材料使得器件的工作電流顯著降低，從而達(dá)到降低器件功耗的目的；同時(shí)，器件的電阻值分布離散性更低，參數(shù)的均一性更好。

圖5 鉿-銦-錫-氧化物的新型復(fù)合電極材料電學(xué)性能測試Figure5 Electrical properties test of the new composite electrode material of hafnium-indium-tin-oxide

電極選擇在憶阻器電阻轉(zhuǎn)換過程中發(fā)揮著重要的作用，不僅會(huì)影響憶阻器的各項(xiàng)參數(shù)，還決定著導(dǎo)電細(xì)絲的形成機(jī)理，而且通過對電極進(jìn)行優(yōu)化并不直接改變阻變層材料的性質(zhì)，因此電極優(yōu)化對于憶阻器的阻變機(jī)理研究至關(guān)重要。

2.2 界面工程

電極和阻變層的界面處也是研究人員研究的重點(diǎn)方向之一。一方面存在電極材料與阻變層材料之間的相互擴(kuò)散，這種擴(kuò)散可能會(huì)影響材料的穩(wěn)定性；另一方面，電極與阻變層之間可能會(huì)產(chǎn)生肖特基接觸，這可能會(huì)增大電子傳導(dǎo)難度。 因此通過在電極與阻變層之間沉積一層緩沖層成為一種行之有效的辦法。

緩沖層在憶阻器中的主要作用是作為“氧庫”，在Set 過程中結(jié)合遷移的氧離子形成氧化物，防止氧離子在界面處過度聚集， 達(dá)到清除氧離子的目的；在Reset 過程中成為供氧源，提供氧離子用于復(fù)合氧空位。 Li 等人在Ta2O5和Ta 上電極的界面之間沉積了一層1～2nm 的Ti 緩沖層[21]，和未沉積Ti 緩沖層的樣品相比，具有更低的XPS 能譜，如圖6a）所示，表面與 Ta2O5相鄰的 Ti 被氧化成 TiOx（x＜2），使得器件的實(shí)際結(jié)構(gòu)為Pt/Ta2O5/TaOx/TiOx/Ta。同時(shí)， 在后續(xù)的I-V 測試中發(fā)現(xiàn)， 器件的Forming從2.6V 附近降低到了約2.0V，如圖6b）所示；在不犧牲任何其他參數(shù)的情況下， 器件的均一性如圖6c）和 6d）所示，耐循環(huán)性如圖 6e）和 6f）所示，至少提高了2 個(gè)數(shù)量級。 說明Ti 緩沖層可以成為憶阻單元的氧空位庫，在Reset 過程中起到分擔(dān)電壓的作用， 更重要的是提供了復(fù)合氧空位用的氧源；在Set 步驟中可以阻止氧離子的過度遷移， 進(jìn)而減少對器件造成不可逆的損傷。

圖6 Ta2O5 和Ta 電極界面之間沉積一層1～2nm 的Ti 緩沖層時(shí)的性能測試Figure 6 Performance test when depositing a 1-2nm Ti buffer layer between Ta2O5 and Ta electrode interface

Rahaman 等人還通過調(diào)節(jié)Ti 緩沖層的厚度來調(diào)控HfOx器件的性能[22]。結(jié)果表明，隨著Ti 緩沖層厚度的增加， 最初會(huì)在HfOx層中引入更高的氧空位濃度，這會(huì)引起器件Forming 電壓的降低；當(dāng)Ti層厚度為5nm 時(shí)， 器件可以在1μA 的限制電流下工作， 這顯示出Ti 緩沖層在實(shí)現(xiàn)低功耗憶阻器方面同樣存在巨大的潛力。

器件的穩(wěn)定性也可以通過在電極和阻變層之間插入緩沖層提高。 Tsai 等人研究了BN 摻雜的SiO2緩沖層對HfO2憶阻器耐循環(huán)性的提升作用[23]，他們在阻變層和上下電極之間插入單層或雙層的緩沖層并測試器件的耐循環(huán)性能。 實(shí)驗(yàn)證明，在上下電極與阻變層之間均插入緩沖層與只插入單層緩沖層的器件相比，器件的耐循環(huán)性提高了6 個(gè)數(shù)量級以上，超過了1012個(gè)循環(huán)周期。

目前看來，Ti 金屬在充當(dāng)緩沖層材料方面有著獨(dú)特的優(yōu)越性， 此外還有TiN、SiO2以及阻變層金屬材料等也可以作為緩沖層。緩沖層的插入可以起到串聯(lián)電阻的作用，有效減少器件的電流過沖對器件帶來的不可逆損傷，因此電阻值合適的界面緩沖層有利于憶阻器性能的提高。

2.3 摻雜優(yōu)化

器件參數(shù)的波動(dòng)很大程度上是由于導(dǎo)電細(xì)絲的形成過程具有隨機(jī)性。現(xiàn)有研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，摻雜對器件的操作電壓、參數(shù)均一性、功耗、數(shù)據(jù)保持力和器件耐久性等各個(gè)方面均有改善作用。 根據(jù)摻雜劑的存在位置不同， 可以將摻雜分為取代式摻雜和間隙式摻雜。 取代式摻雜有利于促進(jìn)氧空位形成并增強(qiáng)VCM（Valence Change Memory）轉(zhuǎn)換；而雜質(zhì)位于晶格原子間隙位置的間隙式摻雜， 可能會(huì)形成對憶阻器有害的競爭性摻雜劑導(dǎo)電細(xì)絲， 但有助于ECM（Electro Chemical Mechanism）型導(dǎo)電細(xì)絲的形成[24]。

通過摻雜的方式，可以降低氧化物的氧空位形成能， 使得器件在Forming 和Set 過程中更加容易形成導(dǎo)電細(xì)絲，從而降低器件的操作電壓。 第一性原理計(jì)算表明，摻雜離子，特別是三價(jià)離子，會(huì)降低HfOx的氧空位形成能[25]。 例如ZHU 等人為了揭示Al 摻雜的機(jī)制，利用第一性原理計(jì)算出HfO2器件經(jīng)過Al 摻雜后，其氧空位形成能從6.24eV 降低到了3.29eV， 同時(shí)氧空位的遷移勢壘也從2.72eV 降低到了2.21eV[26]，這些數(shù)據(jù)證明氧空位導(dǎo)電細(xì)絲在Al 摻雜的HfO2阻變層中更容易生長。 Mahata 等人通過ALD（Atomic Layer Deposition）交替生長的方式對HfOx器件進(jìn)行不同程度的Al 摻雜[27]。結(jié)果表明隨著摻雜Al 的濃度的提升，器件的Forming 電壓大小從5.8V 降低到了4.5V， 說明氧空位的形成能隨著摻雜Al 元素濃度的提升而顯著降低。 同時(shí)，在Al摻雜濃度最大的器件內(nèi)部氧空位分布更為均勻，這進(jìn)一步控制了器件的Set 和Reset 過程，使得器件的數(shù)據(jù)保持力和參數(shù)均勻性均得到了很好的改善。HfOx器件摻雜Al 后的具體性能測試如圖7 所示。

圖7 HfOx 器件摻雜Al 后的性能測試Figure7 Performance test of HfOx device after doping with Al

由于不同原子的體積不同，摻雜原子的加入可能會(huì)使得材料的晶格間隙發(fā)生變化，增大后的晶格間隙可使得摻雜后的氧離子更易移動(dòng)，從而提高器件的開關(guān)速度。例如Zhang 等人研究了S 摻雜HfOx器件[28]，認(rèn)為由于Hf-O 間的鍵長是1.4?，而Hf-S間的鍵長是1.84?，因此S 元素?fù)饺胧沟肏fOx薄膜的晶格間隙變大，氧離子更易移動(dòng)；隨著摻雜S 元素濃度的提升，器件的開關(guān)速度從16.56μs 提高到了6.25μs，每次操作的功耗也從224.2nJ 降低到了9.08nJ。

摻雜原子還會(huì)通過吸引附近的氧原子在其周圍聚集的方式，提高阻變層的氧空位濃度。 Kim 等人將Si 摻入Ta2O5阻變層中[29]，通過XPS 檢測發(fā)現(xiàn)阻變層中出現(xiàn)SiOx，圖8a）所示。 這證明摻入的Si原子吸引了Ta2O5中的氧原子， 降低了Ta2O5阻變層中的氧濃度，相當(dāng)于增加了氧空位的濃度。 如圖8b），8 c）和 8 d）所示，該器件在 5μA 的限制電流下，該憶阻單元仍然可以發(fā)生電阻轉(zhuǎn)變。同時(shí)，相差較大的低阻態(tài)電流表明在 HRS 切換 LRS 的置位過程中，Si 摻雜的 Ta2O5薄膜中的燈絲導(dǎo)電路徑很容易形成；器件的耐循環(huán)次數(shù)也從11000 次提高到了80000 次以上。 此外，在其他研究中還發(fā)現(xiàn)由摻雜元素形成的導(dǎo)電細(xì)絲。例如在Ag 摻雜的HfO2的器件中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電細(xì)絲不再是氧空位構(gòu)成， 而是由Ag 金屬絲構(gòu)成的[30]。

圖8 Si 摻入Ta2O5 阻變層中時(shí)的性能測試Figure 8 Performance test when Si is doped into Ta2O5 resistive switching layer

除了從實(shí)驗(yàn)角度獲得摻雜劑影響器件性能的原因外，研究人員也在理論計(jì)算和模擬等方面得到了一些成果，并為摻雜劑的選擇提供了指導(dǎo)。 例如Zhao 等人通過第一性原理計(jì)算，模擬了12 種候選摻雜劑對導(dǎo)電細(xì)絲形成和轉(zhuǎn)換過程的影響， 并為HfOx憶阻器摻雜劑的選擇提供了指導(dǎo)原則[31]。

整體來說，摻雜是一種簡單有效的憶阻器優(yōu)化工藝，它可以在器件制備過程中完成，不需要引入額外的工藝步驟。 通過摻雜可以有效降低器件功耗，提高器件穩(wěn)定性和參數(shù)均一性等性質(zhì)。 但應(yīng)當(dāng)注意的是， 摻雜行為本身還具有很大的不確定性，例如摻雜元素的濃度和分布還難以做到精確調(diào)控，針對特定器件的最佳摻雜元素還難以確定。 因此，這方面還需要我們進(jìn)行更加深入的研究。

2.4 阻變層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

二元金屬氧化物憶阻器大多采用單一的阻變層結(jié)構(gòu)，這雖然簡化了器件制備過程，卻會(huì)造成器件操作電壓或電流過大、 器件均一性不好等問題。近年來， 研究人員通過阻變層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，將不同的材料結(jié)合起來形成多層阻變層的結(jié)構(gòu)或改變制備工藝， 形成不同濃度的氧空位濃度梯度，達(dá)到優(yōu)化器件性能、降低器件功耗和提高器件穩(wěn)定性的目的。

當(dāng)阻變層采用導(dǎo)電性不同的兩種材料，使其中的一部分起到充當(dāng)串聯(lián)電阻的作用，可以降低通過器件的電流，達(dá)到降低器件功耗的目的。 2011 年，三星公司的Lee 等人[32]利用先沉積后氧化的方法，用氧等離子體將TaO2-x部分氧化成Ta2O5-x，使得器件形成了不對稱的TaO2-x/Ta2O5-x阻變層，并通過控制厚度使得TaO2-x層的電阻為103～104Ω，而Ta2O5-x層的電阻約為108～109Ω[33]。 這樣，具有一定電阻的TaO2-x層使得器件處于低阻態(tài)時(shí)區(qū)別于一般的金屬/絕緣體/金屬結(jié)構(gòu)。與單一TaOx阻變層的器件相比， 其器件的低阻態(tài)電流從毫安級降低到了微安級。 Hsu 等人制備了TaOx/TiO2雙層結(jié)構(gòu)的憶阻器件[15]，如圖9 所示。 通過和含有單一阻變層結(jié)構(gòu)的TaOx和TiO2器件對比發(fā)現(xiàn)， 雙層結(jié)構(gòu)的憶阻器件具有更低的工作電流， 最低可以達(dá)到亞μA 的級別。而增加TaOx層的厚度可以有效降低Reset 和Set電流，其中Set 電流的降低更為明顯。 同時(shí)，器件的耐循環(huán)性也得到了極大的提高，其外推的耐循環(huán)性可達(dá)1015個(gè)周期，相比之前Yang 等人的報(bào)道[34]，提高了5 個(gè)數(shù)量級，完全滿足對新型非易失性存儲(chǔ)器的要求。

圖9 TaOx/TiO2 雙層結(jié)構(gòu)憶阻器件性能測試Figure9 Performance test of TaOx/TiO2 double-layer structure memristive device

通過改變阻變層的制備工藝，構(gòu)建不同氧空位濃度的雙層器件，器件性能也會(huì)得到優(yōu)化。 Li 等人使用ALD 和反應(yīng)濺射兩種方法在直徑250nm 的孔洞中分別沉積了5nm 厚的Al2O3和AlOx層阻變材料[35]。 如圖10 所示，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，該器件不需要額外的Forming 過程， 在0.7V 下就可以發(fā)生電阻轉(zhuǎn)變過程，他們將這一過程發(fā)生的原因歸結(jié)為反應(yīng)濺射的AlOx層提供了大量的氧空位滲透到Al2O3薄膜中；同時(shí)，器件的高低電阻分布離散性更小，耐循環(huán)性也達(dá)到了1010次。

圖10 W/AlOx/Al2O3/Pt 器件的孔洞結(jié)構(gòu)示意圖及性能測試Figure 10 Schematic diagram of hole structure and performance test of W/AlOx/Al2O3/Pt device

除了雙層結(jié)構(gòu)外，研究人員還通過在阻變層中插入另一層氧化物形成三層阻變層結(jié)構(gòu)，也同樣改善了器件的性能。 例如Wang 等人將HfO2插入到Al2O3阻變層中形成 Al2O3/HfO2/Al2O3的結(jié)構(gòu)[36]，通過使用XPS 分析推斷出，HfO2層中的導(dǎo)電細(xì)絲更加密集，因而器件的各項(xiàng)參數(shù)波動(dòng)更小，器件均一性更高。

總之，與單一阻變層結(jié)構(gòu)的器件相比，雙層乃至多層結(jié)構(gòu)的器件往往具有更加優(yōu)異的性能表現(xiàn)，通過阻變層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在保持憶阻器結(jié)構(gòu)簡單和器件可微縮性好的條件下對憶阻器的各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3 總結(jié)與展望

憶阻器被認(rèn)為是未來實(shí)現(xiàn)存算一體化的最佳載體，使用二元金屬氧化物材料制備憶阻器具有許多優(yōu)越性。 本文簡要介紹了二元金屬氧化物材料、結(jié)構(gòu)和電阻轉(zhuǎn)變機(jī)理等，指出了當(dāng)前阻礙憶阻器應(yīng)用的三個(gè)主要問題——功耗問題、器件穩(wěn)定性問題和參數(shù)均一性問題。 針對這些問題，本文總結(jié)概括了電極選擇、界面工程、摻雜優(yōu)化和阻變層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4 種優(yōu)化二元金屬氧化物憶阻器性能的方法。 這4種方法通過降低氧空位形成能、提高氧空位遷移速率、增大氧空位濃度和改善氧空位分布等方式達(dá)到了減少器件功耗、提高器件穩(wěn)定性和參數(shù)均一性的目的，很好實(shí)現(xiàn)了對憶阻器性能的優(yōu)化。 綜合來看，氧空位濃度和分布的調(diào)節(jié)將是憶阻器研究的重點(diǎn)。

雖然憶阻器的相關(guān)研究已經(jīng)取得了許多重要的進(jìn)展，但是仍然有許多問題還未解決。 例如應(yīng)當(dāng)如何平衡載流子與氧空位濃度的關(guān)系；摻雜雖然有利于提高器件性能，同時(shí)也增大了器件發(fā)生漏電流的可能； 實(shí)驗(yàn)室常用磁控濺射法生長阻變層材料，雖然方便快捷，但不如使用原子層沉積法生長的薄膜的質(zhì)量和均勻性好；另外，對于憶阻器的阻變機(jī)理還沒有一個(gè)統(tǒng)一的解釋，也沒有給出氧空位濃度的合理范圍等。未來，對于憶阻器的研究，應(yīng)當(dāng)在深入了解憶阻器電阻轉(zhuǎn)換過程的基礎(chǔ)上，將實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算相結(jié)合，歸納總結(jié)各種優(yōu)化方法對憶阻器性能參數(shù)的影響，找出特定材料憶阻器的最佳優(yōu)化方案，推動(dòng)憶阻器的大規(guī)模生產(chǎn)，為憶阻器在存算一體芯片領(lǐng)域的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。