TiO2-忆阻器

HP实验室的TiO2薄膜器件
1、忆阻器的种类
HP实验室的TiO2薄膜器件， Intel与Numonyx B v等公司研制的相变存储器 （PCM） Everspin公司推出的磁性存储器（MRAM） Unity公司的复杂金属氧化物（CMO）存储器 件 Ramtron和富士通公司推出的铁电存储器 密歇根大学研制的硅和银的薄膜存储器件 这些器件都具有非易失的忆阻器特性，其中以 TiO2薄膜器件较受关注。目前研究重点在存储器和 模拟神经网络中的应用。
忆阻器的材料体系
忆阻器的空间结构主要采用 薄膜结构的原因：
（1）实验和理论上都可到，器件尺寸做的越小， 忆阻特性就越明显 （2）忆阻器件与CMOS器件相比，本身结构就容 易做到几纳米尺寸，而CMOS管很难做到 （3）忆阻器的结构与当前集成电路工艺兼容性较 好，这就降低了成本，加快了忆阻器应用的 量产和商业化
1、当施加一定的正向电压时，就会在堆 栈中形成导电细丝，此时器件为低阻状 态，高阻态时，需要一定的正向电压激 励氧空位就会从掺杂区向正常区迁移， 同时与只有正常区的相比，正常区的激 励电压较小 2、器件一直保持着低阻状态，仅当一定 的负偏压施加在器件上时，则双层栈器 件转变为高阻态。 3、当施加的正向偏压较小时，氧空位就 会被限制在掺杂区，不能进入正常区， 且不能形成导电细丝
四层交叉开关矩阵刨面图
利用原子沉积技术制备TiO2薄膜器件 —忆阻器模型
上电极Al2O3/ZnO Al2O3/TiO2栅保护层 TiO2-x TiO2 SiO2用于阻止从硅片上泄露电流
n型硅片(100)衬底
背电极Al
忆阻器对于周期性的电流输入，忆阻系统 的输入与输出特性表现为一条滞回曲线 （类似于磁滞现象的磁滞回线），这表现 出忆阻元件在偏压变化下的情况下会产生 超前或滞后的效应。另外，忆阻器工作在 高频下时体现出线性电阻特性，在低频下 体现出非线性电阻器的特性。
HP实验室的研究模型
由一排横向和一排纵向的电线组成的网格，在每 一个交叉点上，要放一个开关连接一条横向和纵向的 电线。让这两条电线控制这个开关的状态，那网格上 的每一个交叉点都能储存一个位的数据。这种材料必 须要能有“开”、“关”两个状态，这两个状态必须 要能控制，在不改变状态的前提下，发挥其开关的效 果，允许或阻止电流的流过。
具有忆阻现象的十字交叉矩阵示意图
百度文库
二、TiO2薄膜器件—忆阻器模型
两个电极为Pt材料，薄膜夹层左边区域为TiO2具有很高的忆阻值Roff, 右边区域为TiO2-x(掺杂氧缺位)具有低的忆阻值Ron，当掺杂的那一半带 正电，电流通过时电阻较小，而且当电流从掺杂的一边通向正常的一边 时，在电场的影响之下缺氧的掺杂物会逐渐往正常的一侧游移，使得以 整块材料来言，掺杂的部分会占比较高的比重，杂质均匀的分布在金属 氧化半导体中，整体的电阻也会降低。反之，当电流从正常的一侧流向 掺杂的一侧时，电场会把缺氧的掺杂物往回推，被推到某一端,导致杂质 的分布极端不均，电阻就会跟着增加。因此，整个器件就相当于一个滑 动变阻器。
为了提高忆阻器存储的密度，HP公司实 验室研制出堆叠式多层交叉开关矩阵结构的 NVRAM，上层为四层存储矩阵，最下层是完 成地址译码和读写控制的CMOS电路。
传统的闪存也推出了层叠 式结构，使得存储密度得 以提高，但传统的IC工艺 即将接近极限，密度提高 受到限制。而忆阻器尺寸 缩 小 空 间 比 较 大 。
开关机制取决于： 1、氧化物材料(掺杂氧空位的浓度、氧化物的 最佳生长窗口、正常氧化物的电阻率不可 过高也不可过低、适当退火温度的电学性 质最优） 2、电极材料 3、偏压幅度大小和脉冲时间（频繁正负偏压 之间的激励） 4、环境条件（器件需洁净，小的水分子或金 属纳米粒子可能导致器件短路）
1、用扫描隧道显微镜去探测双极性开关 中导电细丝的形成与减退 2、用X射线衍射分析掺杂薄膜的结晶相 3、用X射线光电子谱分析金属的氧化态 4、测其I-V特性
常见的水管来比喻，电流是通过的水量， 而电阻是水管的粗细，当水从一个方向流 过，水管会随着水流量而越来越粗，这时 如果把水流关掉的话，水管的粗细会维持 不变；反之当水从相反方向流动时，水管 会越来越细。因为这样的组件会记住之前 的电流量，因此被称为忆阻器。
忆阻器与相关器件的比较
忆阻器的特性
1、由于忆阻器是连续器件，因而存储的精度是无 限的。 2、由于忆阻器在使用过程中其内部的结构发生变 化，因而具有不易失性。 3、由于忆阻器是基础元器件，可以方便的将忆阻 器设计在电路中，获得混合型的电路，便于使 用。 4、随着忆阻器内部变量变化方式的不同，可以实 现数字与模拟俩种状态。
硅基TiO2薄膜器件—忆阻器
目录：
一、TiO2和忆阻器 二、TiO2薄膜器件 —忆阻器模型 三、忆阻器的研究进展与应用前景
一、TiO2和忆阻器 TiO2
TiO2是一种新型半导体材料，由于具 有众多的优越性能，如稳定性、在可 见和近红外光波段可透性及高的介电 常数等。在光催化、太阳能电池和电 学器件等领域有重要的应用前景，成 为目前国际学术界关注的一个重点。
忆阻器
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忆阻器原理
忆阻器，即阻变随机存储器（Resistive ran-dom access memory），它是具有记忆功能的非线性电 阻元件，是继电阻、电容和电感之外的第四种基 本电路元件。这种组件的效果，就是它的电阻会 随着通过的 电流量而改变，而且就算电流停止了， 它的电阻仍然会停留在之前的值，直到接受到反 向的电流它才会被推回去。 忆阻器是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。
三、忆阻器的研究进展及应用前景
1、忆阻器的研究进展
2、应用前景
1）忆阻器在人工神经网络中的应用
纳米忆阻器作为突触的应用
2）在模拟电路和器件设计中的应用 忆阻器与其他电子器件构成新型的混合电路， 可实现非常规波形发生器、混沌振荡器等。忆 阻器以其独特的记忆性能和电路特性，在电路 设计方面给人们提供了新思路。 3）在存储器中的应用 忆阻器作为基本存储单元，体积和功耗比传统 要小，优点突出，可用于商业量产。 4）对生物记忆行为的仿真 Pershin等用于多头绒泡菌对环境刺激学习行为 电路的仿真，他们成功地用电路对外加激励的 电学相应模仿了生物对外界环境刺激的相应行 为。 5）开发新型计算机系统