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        陽離子基阻變存儲器的研究進展

        2017-03-04 08:18:49龍世兵呂杭炳
        中國材料進展 2017年2期
        關鍵詞:細絲存儲器陽離子

        劉 琦,劉 森,龍世兵,呂杭炳,劉 明

        (中國科學院微電子研究所,北京 100029)

        特約專欄

        陽離子基阻變存儲器的研究進展

        劉 琦,劉 森,龍世兵,呂杭炳,劉 明

        (中國科學院微電子研究所,北京 100029)

        基于電荷存儲的傳統(tǒng)非易失存儲技術越來越難以滿足大數(shù)據(jù)時代對海量信息的存儲需求,亟需發(fā)展基于新材料、新原理的非易失存儲技術?;陉栯x子電化學效應的阻變存儲器具有結(jié)構(gòu)簡單、速度快、功耗低、可縮小性好、易于三維集成等優(yōu)點,被認為是下一代非易失存儲器的有力競爭者。然而,器件參數(shù)離散性大以及阻變機制不清晰嚴重阻礙了該類器件的快速發(fā)展。近幾年,國內(nèi)外學者通過材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計顯著提高了器件的性能,借助先進的表征技術闡明了器件電阻轉(zhuǎn)變的微觀機制,為陽離子基阻變存儲器的大規(guī)模生產(chǎn)和應用奠定了科學基礎。從材料改性、器件結(jié)構(gòu)設計和微觀機制表征三個方面綜述了陽離子基阻變存儲器的研究進展,并對其未來的研究方向和發(fā)展趨勢進行了展望。

        非易失存儲器;阻變存儲器;固態(tài)電解液;電化學效應;導電細絲

        1 前 言

        存儲器是信息技術的重要載體,是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的基礎。非易失存儲器掉電后數(shù)據(jù)不會丟失,被廣泛地應用于軍事航天、社會安全、信息系統(tǒng)和科學研究中。在過去30年中,非易失存儲器的發(fā)展都主要集中于浮柵結(jié)構(gòu)的閃存(Flash)存儲器,主要體現(xiàn)在其特征尺寸按照摩爾定律不斷的縮小。但是隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等信息技術的快速發(fā)展,全球需要處理和存儲的數(shù)據(jù)量每年將以60%的速度遞增,到2020年將達到40 ZB[1]。目前Flash半導體存儲器的特征尺寸已經(jīng)縮小到14 nm,繼續(xù)縮小將面臨物理機理上的諸多限制,例如由隧穿氧化層中的缺陷引起的電荷泄漏限制了垂直方向按比例縮小、相鄰單元之間的浮柵耦合效應限制了水平方向按比例縮小[2]。普遍認為Flash半導體存儲器將在12 nm的技術節(jié)點上達到其物理極限[3]。為了滿足后摩爾時代對海量數(shù)據(jù)存儲的需求,亟需發(fā)展基于新材料、新原理的非易失存儲技術。

        陽離子基阻變存儲器(Cation-Based Resistive Random Access Memory, C-RRAM)是全新的非易失存儲技術。其結(jié)構(gòu)通常是由一個電化學活躍金屬電極和一個惰性電極以及阻變層組成[4-6]。陽離子基阻變存儲器的阻變機理是由活性金屬電極在電場下發(fā)生的氧化還原反應和電遷移過程主導的。和傳統(tǒng)的Flash存儲器相比,陽離子基阻變存儲器具有非常優(yōu)良的綜合存儲性能,包括器件結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)變速度快、功耗低、可縮性好、易于三維集成以及與CMOS工藝兼容等優(yōu)點,被國際半導體發(fā)展路線圖選為最具發(fā)展?jié)摿Φ南乱淮且资Т鎯夹g之一[7-12]。但是目前的陽離子基阻變存儲器還存在若干問題:包括阻變參數(shù)離散性較大、阻變機制不清楚和可靠性問題等,嚴重制約其進一步的發(fā)展應用[13-15]。最近,國內(nèi)外眾多的研究學者通過材料和結(jié)構(gòu)改進,顯著提高了器件的性能,并借助于先進的表征技術進一步闡明了器件電阻轉(zhuǎn)變的微觀機制,為陽離子基阻變存儲器的大規(guī)模生產(chǎn)和應用奠定了科學基礎。本文從材料改性、器件結(jié)構(gòu)設計和微觀機制表征3個方面綜述了陽離子基阻變存儲器的研究進展,并對其未來的研究方向和發(fā)展趨勢進行了展望。

        2 材料改性

        普遍認為,薄膜材料中的缺陷和雜質(zhì)會影響到陽離子基阻變存儲器中的阻變過程。但是目前大多數(shù)自然生長的薄膜材料中缺陷和雜質(zhì)的分布不均勻,造成了器件良品率較低、均一性和穩(wěn)定性都較差,嚴重限制了陽離子基阻變存儲器的大規(guī)模應用和進一步發(fā)展。為了提高陽離子基阻變存儲器的阻變性能,眾多學者從材料改性的角度來提高薄膜材料中缺陷和雜質(zhì)的均一性。摻雜是一種提高陽離子基阻變存儲器阻變特性非常有效的方法,摻雜的物質(zhì)主要包含Cu, Ag, Al, Ti等[16-20]。摻雜的途徑可以分為以下3種:離子注入、熱退火和共濺射。通常來說,經(jīng)過摻雜以后,器件的電鑄電壓會降低、器件的均一性和良率都有明顯提升。

        離子注入是利用高能離子束入射到薄膜材料中,離子束將會與薄膜材料中的原子發(fā)生一系列物理和化學反應,從而實現(xiàn)材料的摻雜。中科院微電子研究所劉明院士團隊[20-21]首次采用了離子注入的方法,研究了ZrO2中摻雜Zr, Au, Ti等離子對器件阻變性能的改善。以Ti摻雜為例,首先在Pt電極上生長70 nm的ZrO2薄膜,然后通過離子注入(注入的劑量為1×1012cm-2,50 keV)將Ti離子注入到ZrO2薄膜中,最后在400 ℃下退火120 s。相對于沒有離子注入的原始器件Cu/ZrO2/Pt,通過離子注入制備的Cu/ZrO2:Ti/Pt操作電壓明顯降低,而且操作電壓和高低阻態(tài)的分布也更加集中,如圖1所示。并且,采用離子注入技術制備的Cu/ZrO2:Ti/Pt器件具有非常優(yōu)越的綜合存儲性能:操作電壓<4 V、轉(zhuǎn)變速度<50 ns、存儲窗口>104、保持時間>10年。

        圖1 Ti離子注入前后器件的阻變特性:(a)~(b) Ti離子注入前和注入后的器件的電壓掃描曲線(10次循環(huán));(c)~(d) Ti離子 注入前和注入后的電壓參數(shù)和高低阻態(tài)的分布[20]Fig.1 The resistive switching characteristics of the Cu/ZrO2/Pt and Cu/ZrO2:Ti/Pt devices:(a)~(b) The DC sweeping characteristics, (c)~(d) The operation voltages and resistances distributions[20]

        在對器件摻雜的過程中,器件的阻變性能會發(fā)生一些顯著的變化。Guan W等[22]報道了Cu摻雜的ZrO2薄膜中無極性轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。首先通過電子束蒸發(fā)工藝在兩層ZrO2薄膜中插入一層3 nm的Cu薄膜,從而制備成Cu/ZrO2∶Cu/Pt器件。該器件表現(xiàn)出性能優(yōu)良的無極性轉(zhuǎn)變特性,如圖2所示。并且隨后的測試表明,高低阻態(tài)能夠在常溫下保持10年以上。隨后,Wang等在兩層HfO2薄膜中插入3 nm的Cu薄膜,制備出的Cu/HfO2∶Cu/Pt器件也展現(xiàn)出優(yōu)良的無極性轉(zhuǎn)變特性,器件的存儲窗口達到107以上,超過100次以上的循環(huán),保持性能好,而且展現(xiàn)出多值存儲的潛力。

        圖2 Cu/ZrO2∶Cu/Pt器件的無極性轉(zhuǎn)變特性。插圖(a)是器 件在直流掃描下的重復特性;插圖(b)是對數(shù)坐標的I-V 曲線[22]Fig.2 The nonpolar switching of Cu/ZrO2∶Cu/Pt. Inset (a) shows the reproducibility of the resistive switching in DC sweeping mode. Inset (b) shows the I-V fitting result in log-log scale[22]

        熱退火主要是將材料暴露在高溫中一段時間,然后再慢慢冷卻的熱處理過程。在加熱的過程中,一部分金屬材料的熱擴散效應將會加劇,從而實現(xiàn)摻雜過程。Chen等[23]利用熱退火的方法制備了Cu摻雜的Pt/AlN∶Cu/Pt,該器件展示出了優(yōu)良的無極性阻變性能。Luo等[24]利用熱退火方法制備了摻雜的Cu/Cu-doped-HfO2/Pt器件,該器件表現(xiàn)出了特殊的閾值開關阻變特性,可以用在交叉陣列中作為選通管。

        在阻變層中實現(xiàn)摻雜的另一種手段是共濺射,通過控制轟擊靶材的能力,就可以實現(xiàn)不同濃度的摻雜。Tsai等[25]利用共濺射的方法在SiOx中摻雜Zr,射頻濺射的能量分別為200 W和20 W,從而制備了SiOx∶Zr薄膜的阻變器件,該器件的操作電壓較低、電壓分布更加緊湊、高低阻態(tài)分布更加穩(wěn)定而且循環(huán)次數(shù)也更好。

        綜上所述,阻變層中缺陷分布的不均勻是影響陽離子基阻變存儲器的重要原因,通過摻雜能夠降低阻變層中缺陷的形成能和遷移勢壘,有利于在阻變層中形成均勻的缺陷,從而顯著提高阻變器件的存儲性能。

        3 器件結(jié)構(gòu)設計

        一般認為陽離子基阻變存儲器的阻變行為是由阻變層中導電細絲的形成和破滅造成的。但是導電通路在薄膜材料中的生長位置和生長過程是隨機的,這種隨機性導致了陽離子基阻變存儲器參數(shù)離散性較大,包括操作電壓的參數(shù)和電阻分布參數(shù)。為了改善陽離子基阻變存儲器阻變參數(shù)的分布,國內(nèi)外諸多學者進行了大量研究。結(jié)果表明,通過器件結(jié)構(gòu)的設計,采用局域電場增強的方法可以改善阻變層內(nèi)電場的分布,從而有效降低器件參數(shù)的離散系數(shù)。

        2010年,Liu Q等[26]在阻變層和惰性電極之間中植入一層Cu納米晶(Nano Crystalline,NC),制備出Ag/ZrO2/Cu NC/Pt阻變器件。Cu納米晶起到局域性的電場增強作用,同時也會抑制附近區(qū)域的電場強度。隨后的透射電子顯微鏡(TEM)實驗結(jié)果表明,該器件中的導電細絲更傾向于生長在Cu納米晶的位置,如圖3所示。通過在器件中植入納米晶,可以有效降低導電通路生長的隨機性。在循環(huán)操作時,能夠促使導電通路沿著同一路徑(含有Cu納米晶的路徑)生長,從而提高器件的穩(wěn)定性和均一性。從而驗證了植入納米晶對電場增強的作用和對導電細絲生長過程誘導的有效性,能夠為后續(xù)的器件設計和進一步優(yōu)化提供指導。

        學者也研究了雙層阻變材料對導電細絲的誘導作用。在對陽離子基阻變存儲器電鑄(Forming)后,將會有導電通路貫穿兩層阻變層并且聯(lián)通上下電極。然而在復位(RESET)的過程中,只有其中一層阻變層中的導電細絲會被溶解掉,另外一層中的導電細絲則會保留。被保留的那一段導電細絲則會起到電場增強的作用,誘導導電細絲在該位置生長,從而減小導電通路生長的隨機性。Lv等[27]在傳統(tǒng)的Al/CuxO/Cu器件中插入一層相變材料Ge2Sb2Te5(GST),制備了雙層的Al/GST/CuxO/Cu阻變器件。實驗結(jié)果表明通過插入一層GST相變材料,能夠極大地改善器件的阻變參數(shù),如阻變電壓和高低阻態(tài)的分布,如圖4所示。阻變性能改善的原因是由于GST材料中未被溶解的導電通路起到了電場增強作用,減弱了導電通路生長的隨機性,從而改善了器件的阻變性能。

        圖3 Ag/ZrO2/Cu NC/Pt器件中導電細絲的誘導生長情況:(a) Ag/ZrO2/Cu NC/Pt器件的阻變特性和導電通路生長情況; (b) 納米晶對電場增強的仿真結(jié)果[26]Fig.3 The conductive filament induced by Cu NC in Ag/ZrO2/Cu NC/Pt devices: (a) The resistive switching of the devices and TEM image of the filament, (b) The simulation results of the electric filed enhanced by Cu NC[26]

        圖4 Al/CuxO/Cu和Al/GST/CuxO/Cu器件的阻變性能和物理機制[27]Fig.4 Schematics of the resistive switching performance and mechanism of the Al/CuxO/Cu and Al/GST/CuxO/Cu devices[27]

        綜上所述,通過采用植入納米晶或者采用雙層阻變材料能夠增強阻變層局部的電場強度,從而誘導導電細絲的生長,進而改善器件的阻變性能。但是以上兩種方法,“種子”(納米晶或者殘留的導電細絲)的位置本身就具有一定的隨機性,無法精確控制。Kim等[28]從另一種角度出發(fā),通過Si的各向異性刻蝕,在阻變器件中形成金字塔類型的尖端結(jié)構(gòu),依次達到電場增強的目的,如圖5所示。該方法能夠有效控制金字塔結(jié)構(gòu)的位置,但是通過各向異性刻蝕工藝無法制備出足夠小的金字塔的結(jié)構(gòu),該器件在可縮小性能方面尚不具備足夠的潛力。

        圖5 通過Si的各向異性刻蝕形成的金字塔結(jié)構(gòu)及其SEM照片[28]Fig.5 Schematic and SEM image of nano-pyramid patterned bottom electrode by anisotropic etching of silicon[28]

        通過器件的結(jié)構(gòu)設計能夠有效地減小導電細絲生長的隨機性,從而提高器件的阻變性能。但是目前的植入納米晶、雙層結(jié)構(gòu)或者是尖端結(jié)構(gòu),都還存在若干不足。通常情況下,陽離子基阻變存儲器在低阻態(tài)時,阻變薄膜中會存在一根或者多根導電細絲,雖然采用如上所示的結(jié)構(gòu)設計能夠誘導導電細絲生長的位置,但是并不能阻擋金屬陽離子在電場作用下從活性電極注入阻變層中,而這些金屬離子的累積將會對器件的可靠性造成問題。未來還需要開發(fā)更加有效的結(jié)構(gòu)設計解決這些問題。

        4 微觀機制表征

        陽離子基阻變存儲器的阻變機制和金屬陽離子的氧化還原反應和電遷移形成的導電細絲相關。雖然導電細絲機制得到了廣泛的研究和認可,但是對于導電細絲的形成和破滅的動態(tài)過程、成分和形狀等關鍵問題,還存在較大的爭議。圍繞這些問題,國內(nèi)外眾多學者開展了大量富有成效的研究工作。

        電化學金屬化效應機制(Electrochemical Metallization,ECM)是針對陽離子基阻變存儲器提出的一種阻變的微觀機制。該機制認為金屬性導電細絲的生長和破滅過程分為以下3個部分:①金屬電極(生長)或者導電細絲(破滅)中的金屬原子在電場的作用下發(fā)生氧化反應,形成金屬離子M2-;②金屬離子在電場下發(fā)生的電遷移行為,導電細絲生長時向惰性電極遷移,破滅時向活性電極遷移;③金屬離子得到電子發(fā)生還原反應形成金屬原子M。通過施加不同極性的電場,能夠?qū)崿F(xiàn)導電細絲的生長或者破滅,對應著器件的SET和RESET過程。

        2007年,Guo X等[29]通過原位的掃描電子顯微鏡(In-SituSEM)在平面結(jié)構(gòu)的Ag/H2O/Pt中觀測到了Ag導電細絲生長的照片,直觀證明了電化學金屬效應機制的正確性。在試驗中Ag導電細絲的形貌呈現(xiàn)為樹狀結(jié)構(gòu),并且是從Pt電極生長到Ag電極,如圖6所示。

        圖6 在1 V的電壓下,Ag/H2O/Pt器件的電學轉(zhuǎn)變特性以及導 電細絲生長過程的SEM照片:(a)器件從高阻態(tài)到低阻態(tài) 的電學轉(zhuǎn)變特性;(b)~(d)與I-t對應的導電細絲在1, 2, 4 s時的形貌 [29]Fig.6 The switching-on process and SEM images of the conductive filaments in Ag/H2O/Pt devices after applying 1 V stimuli: (a) The switching-on process, (b)~(d) The morphology of the Ag conductive filament at 1, 2 and 4s, respectively[29]

        但是在水中得到的導電細絲的形貌和生長過程和真實器件中的情況差別很大。首先,該器件是一個平面結(jié)構(gòu),電極之間的距離大概為3 um,而實際的器件中薄膜材料的厚度往往為數(shù)納米到數(shù)十納米之間。另外,水中電子和離子的遷移率也和實際薄膜材料中有很大的不同。因此為了研究真實器件中導電細絲的形貌、成分和動態(tài)過程,Liu等[30]用聚焦離子束(Focused Ion Beam,F(xiàn)IB)制備了適用于原位透射電子顯微鏡(In-SituTEM)實驗的樣品Ag(or Cu)/ZrO2/Pt,用于實時觀測樣品中導電細絲生長和破滅的動態(tài)過程,如圖7所示。該工作觀測到了Cu導電細絲的形貌、結(jié)構(gòu)、成分、生長和破滅的動態(tài)過程,如圖8所示。

        圖7 Ag(or Cu)/ZrO2/Pt透射電子顯微鏡實驗樣本制備:(a)樣 品制備示意圖;(b)器件制備的SEM照片[30]Fig.7 The fabrication of Ag(or Cu)/ZrO2/Pt specimen: (a) The illustrations of fabrication processes, (b) The SEM images of the fabrication processes[30]

        圖8 Cu導電細絲生長的動態(tài)過程:(a)~(e)Cu/ZrO2/Pt 器件的細絲生長動態(tài)過程的TEM照片;(f)~(j)轉(zhuǎn) 換得到的黑白照片[30]Fig.8 The growth dynamics of the Cu filament: (a)~(e) The TEM images of the growth processes in the Cu/ZrO2/Pt device, (f)~(j) Black and white images converted from the TEM images[30]

        值得注意的是,根據(jù)以上的In-SituTEM的實驗結(jié)果,在ZrO2中觀測到的導電細絲的形貌和動態(tài)過程都和H2O中觀測到的有明顯的差別。首先在ZrO2中觀測到的導電細絲的形狀為圓柱形,直徑大小約為20~30 nm。與在水中觀測到的樹狀的導電細絲有著巨大的差異,而且尺寸也大不相同。其次,在ZrO2中導電細絲生長的過程是從Ag/Cu電極向Pt電極生長,而且進一步指出,器件被RESET時,導電細絲最先從ZrO2和Pt的交界面處斷裂。最后,文中進一步分析了ZrO2中的導電通路形成的動態(tài)過程和傳統(tǒng)的固態(tài)電解液材料中的動態(tài)過程不同的原因是因為金屬陽離子的溶解度和遷移率不同。

        陽離子基阻變存儲器通常表出現(xiàn)雙極性轉(zhuǎn)變的特性,該阻變特性是和電化學金屬化效應機制相一致的。但是,很多研究報道指出,陽離子基阻變存儲器在經(jīng)過多次循環(huán)以后也能表現(xiàn)出無極性轉(zhuǎn)變。特別是無極性轉(zhuǎn)變中的負向SET現(xiàn)象,違背了目前的電化學金屬化效應機制,同時會造成器件的復位失效現(xiàn)象,如圖9所示。最近,Liu S等通過透射電極顯微鏡技術分析了陽離子基阻變存儲器中的復位失效機制。[31]

        圖9 Ag/ZrO2/Pt器件中的復位失效現(xiàn)象:(a)直流掃描下的復位失效現(xiàn)象;(b)脈沖下的復位失效現(xiàn)象[31]Fig.9 The reset failure phenomena in Ag/ZrO2/Pt: (a) The reset failure in DC sweeping mode, (b) The reset failure in pulse mode[31]

        首先,利用聚焦離子束將復位失效以后的Ag/ZrO2/Pt器件加工為TEM的樣品。在隨后的實驗觀測中發(fā)現(xiàn),Ag/ZrO2/Pt樣品中的導電通路不僅連通了上下電極而且滲透到了Pt電極中,如圖10所示[31]。需要注意的是,該處觀測到的導電細絲與之前觀測到的導電通路的形貌類似,也呈現(xiàn)出圓柱形,直徑約20~30 nm。但是通過能譜儀分析,導電通路不僅連通上下電極,而且滲透到了底電極Pt中,滲透深度約20 nm。這部分滲透到底電極中的Ag原子有可能在負向電壓下,作為額外的金屬陽離子源,使得導電通路在負向電壓下能夠重新連接,進而導致了復位失效現(xiàn)象?;谏鲜龇治?,Liu S等提出了在Pt電極上增加離子阻擋層來抑制導電通路過生長進入到Pt電極的現(xiàn)象。利用石墨烯(Graphene,G)的阻擋特性,制備了Ag/ZrO2/G/Pt器件,隨后的TEM實驗證明了石墨烯插層能夠有效地解決導電通路的過生長現(xiàn)象,而且電學測試結(jié)果也表明通過離子阻擋層的方案可以解決電學測試中的復位失效問題。

        圖10 復位失效以后的Ag/ZrO2/Pt器件的表征測試結(jié)果:(a)~ (b)TEM測試結(jié)果;(c)~(d)導電通路區(qū)域的能譜儀分析 結(jié)果[31]Fig.10 The TEM results of the Ag/ZrO2/Pt after reset failure[31]: (a)~(b) TEM results,(c)~(d) EDS analysis of the filament

        綜上所示,陽離子基阻變存儲器中的復位失效機制可以解釋如下:在活性電極上施加正電壓,阻變層中會形成導電細絲,但是一部分導電細絲會滲透進惰性電極中。在負向電壓下,導電通路破滅,但是在惰性電極中會殘留一部分活性電極的原子。隨著循環(huán)次數(shù)的增加,活性電極的原子在惰性電極累積,當達到一定數(shù)量后,能夠在負向電壓下導致導電細絲破滅后的重新連接,進而導致復位失效。通過在阻變層和惰性電極之間插入一層離子阻擋層,能夠有效解決導電通路的過生長現(xiàn)象,從而消除了復位失效問題,如圖11所示[31]。該工作指出了陽離子基阻變存儲器中的復位失效機制是由于金屬性導電細絲的過生長造成的,通過采用離子阻擋層可以有效消除復位失效問題。

        圖11 陽離子基阻變存儲器中的復位失效機制及基于 離子阻擋層的解決方案示意圖[31]Fig.11 The mechanism of reset failure in cation-based memory and the related ion-barrier solution[31]

        5 結(jié) 語

        陽離子基阻變存儲器由于其出色的綜合存儲性能,有望替代Flash成為下一代非易失存儲技術。除了非易失存儲應用之外,陽離子基阻變器件還可以應用于邏輯電路[32-33]、人工神經(jīng)形態(tài)計算[34-35]等方面。特別是陽離子基器件中金屬離子的電遷移過程與生物神經(jīng)元突觸中的Ca2+和Na+離子的遷移過程非常類似,有望能夠從物理機理層面模擬生物神經(jīng)元的計算方式,從而改變?nèi)斯ど窠?jīng)形態(tài)計算的物理基礎。但是陽離子基阻變器件仍存在一些挑戰(zhàn)亟需克服,例如參數(shù)離散性大、均一性不好和可靠性問題。本文從材料改性、器件結(jié)構(gòu)設計和微觀機制表征3個方面介紹了陽離子基阻變存儲器的研究工作,希望能夠?qū)ξ磥淼钠骷?yōu)化設計提供指導。

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        (編輯 吳 琛)

        Progress of Cation-Based Resistive Random Access Memory

        LIU Qi, LIU Sen, LONG Shibing, LV Hangbing, LIU Ming

        (Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China)

        The traditional charge-based nonvolatile memory technology is hardly satisfying to the tremendous storage requirement of mass data information in the big data era. Hence, it is urgent to develop nonvolatile storage technology based on new materials and mechanisms.Resistive Random Access Memory (RRAM), based on electrochemical metallization effect, is considered to be a strong competitor for the next generation nonvolatile memory due to its outstanding performance, including simple structure, fast speed, low power, excellent scalability and three-dimensions integration. However, some disadvantages such as the large dispersion of RRAM parameters and the unclear switching mechanism obstacle the real application of RRAM. Recently, the devices performance has been greatly improved by optimization of RRAM materials and device structure, and the microscopic mechanism of resistive switching has been deeply understood with advanced in-situ characterization techniques. In this review, we sum and discuss the recent research progress of cation-based RRAM from three aspects: material optimization, device structure design and physical mechanism illustration. Finally, we predict and outlook the future research direction and development trend of cation-based RRAM.

        nonvolatile memory; resistive switching memory; solid-state-electrolyte; electrochemical effect; conductive filament

        2016-12-31

        國家自然科學基金資助項目(61422407, 61474136)

        劉 琦,男,1980年生,研究員,碩士生導師, Email: liuqi@ime.ac.cn

        10.7502/j.issn.1674-3962.2017.02.01

        O472.4

        A

        1674-3962(2017)02-0081-07

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