阻变存储器概述

阻变存储器概述

阻变存储器（RRAM）是利用脉冲电压对存储单元进行写入和消除，进而导致记忆单元电阻改变，这就是电脉冲诱使阻变效应。

2.1 电阻转换现象

利用一些薄膜材料在电激励条件下薄膜电阻在不同电阻状态（高阻态（HR S）、低阻态（LRS））之间的相互转换来实现数据存储。根据电阻转换所需外加电压极性的不同，RRAM器件的电阻转变特性可以分为两种切换模式：单极转换和双极转换。从HRS到LRS的转换被称为“SET”过程。相反，从LRS到H RS的转换被称为“RESET”过程。单极转换是指器件在高低组态之间转变时外加电压极性相同。如果器件能在任意极性的电压实现高低阻态的转变，它被称作为无极性转换。双极开关的切换方向取决于所施加的电压的极性。

图2.2.1 （a）RRAM基本结构示意图和RRAM转换特性，（b）单极性转换，（c）

双极性转换

对于单极转换必须设置限制电流，对于双极转换，不一定需要设置限定电流的大小。施加在RRAM上的电压可以是脉冲电压或扫描电压，实际应用中利用扫描电压改变记忆单元电阻是不行的。除了使用直流电压改变阻态，还可以用电脉冲诱导电阻转变（EPIR）效应实现记忆单元阻值转换。利用改变脉冲电压的极性完成高低阻态的转变，如图1.2.2所示。

图2.2.2 脉冲诱使电阻转换的可重复现象

2.2 RRAM器件的阻变机制

到目前为止，电阻转换的真正机制还未确定，机制的不明确严重影响阻变存储器的应用步伐[6]。阻变效应属于材料的体效应还是氧化物与电极间的界面效应是需要解决的重大难点。目前，对于电阻转换现象的解释，研究人员提出了下面几种模型，主要有：导电细丝模型，界面接触势垒模型，缺陷能级模型。

2.2.1 导电细丝模型

导电细丝（CF，conducting filament）机制是一种局域化的效果，仅在介质薄膜的局部发生电阻的转变。从目前报道来看，固态电解液和大多数金属氧化物RRAM的电阻转变都与局部导电细丝的形成与断裂有关[7]。

图2.2.1 导电细丝模型

导电细丝主要原理：电路导通时，薄膜内部会形成传导路径，使通过电流变大，这时薄膜器件处于开启状态（ON state）；当导电通道断裂后，薄膜电流变小，这时薄膜器件处于关闭状态（OFF state）。图2.2.1为C.C Lin et al.人提出的导电细丝模型。（a）处于ON state，（b）、（c）、（d）都处于OFF state。

2.2.2 界面接触势垒模型

当RRAM单元有电极/半导体薄膜接触面时，界面接触电阻的变化可能来自于界面处肖特基势垒变化，界面处氧空位缺陷俘获和释放电荷导致界面势垒变化原理图如图2.2.2所示。当有负向电压施加界面处时，电子进入氧化物和氧空位结合，导致界面处势垒增加并造成隧穿电流减小，器件为HRS；当正向电压施加界面处时，电荷从氧空位中释放，造成氧空位累积而是肖特基势垒降低，隧穿电流增加，器件变为LRS.

图2.2.2 金属与半导体材料界面处电荷被俘获与释放导致界面势垒的变化原理图[8]

2.2.3 缺陷能级模型

在实际的薄膜材料中，总存在一些杂质和缺陷，这些杂质和缺陷会在材料中引入相应的杂质能级和缺陷能级，因此，在电荷传输的过程中会俘获和释放电荷，从而影响电子或空穴的传输。目前用以解释阻变现象的缺陷能级模型主要包括：SV模型、SCLC模型和Poole-Frenkel模型。本节主要说明SV模型。

早在1967年，J. G. Simmons和R. R. Verderber为解释Au/SiO2/Al 结构中的阻变现象，提出了SV模型[9]。他们认为，在初始的电激励作用下，Au电极的原子扩散进SiO2，SiO2的带隙中将形成由金原子引入的一系列的缺陷能级，此时器件为低阻态。当注入的电子逐渐占据了缺陷能级，会形成一个自建电场，阻止后续电子的注入，器件转变为高阻态。当施加相反的电场时，缺陷能级中的电子会逐步释放，器件转变回低阻态。D.Lee等人和W. GuAn等人用这个模型解释了基于非化学配比和掺杂ZrO2器件的阻变特性[10]。

图2.2.3 ZrO2薄膜的电阻转变机制：（a） forming成功后的能带图，（b）没有正电

荷时的高阻态，（c）有正电荷时的低阻态[10]

在非化学配比的ZrO2薄膜中，在大的正向forming电压下，Zr原子被电离成

Zr+离子，正电荷使得ZrO的能带弯曲使电流更容易通过过渡层，器件呈低阻态，如图2.2.3(c)所示。当施加反向电场时，注入的电子被Zr+俘获并在过渡层积累，削弱了施加的电场，限制了电流渡过器件，器件转为高阻态，如图2.2.3(b)所示。

2.3 漏电流机制分析

漏电流机制一般可以分为两大类：界面效应；体效应。界面效应（指阻变现象主要发生在电极与阻变材料表面）包括三种机制：肖特基效应、隧穿效应、热场效应。体效应主要发生在阻变功能层内部，又称为传输限制，主要包括以下几种机制：普尔-法兰克发射、空间电荷限制电流、跳跃传导、本质传导、离子传导。

基于不同的氧化物RRAM器件，其HRS电流一般都是非线性的，非线性导电机制一般包括空间电荷限制电流效应、Poole-Frenkel效应和肖特基发射效应；RRAM处于LRS时电流传导机制一般是欧姆传导效应。下面主要介绍以上三种漏电流机制。

2.3.1 空间电荷限流效应

一些宽禁带金属氧化物导带中电荷非常少，电流由于受到导带中电荷数量限制，产生空间电荷限制效应（SCLC, space charge limit current）[11]。在电极上加上偏压，载流子会穿过界面势垒进入绝缘体中，载流子会被陷阱（trap）俘获，造成电流急剧上升，产生非线性传导效应。不同偏压下阻变薄膜中电流大小服从不同的定律。

低压下（外偏压

外加偏压增加至VTFL时，薄膜材料中的陷阱被注入的电子填满，电流急剧增大。当外加偏压继续增加到V’TFL时，注入的可移动载流子浓度与材料自身的本征热载流子浓度基本相等，I-V特性曲线满足莫特-格尼定律。