未来几年忆阻器发展将迎来黄金时期

2008-07-11 11:12:36来源: 电子工程世界

  电子电路理论中的第四种无源元件——忆阻器(Memristor),通过控制衬底(基片)材料有望在2009年制作出一种新的存储器,从而向制造原型迈进了一大步。


  4月,HP Labs的研究者声称他们已经制造出忆阻器,加州大学伯克利分校的蔡少棠教授在1971年的一篇论文中,假定其为第四种无源元件,其他三种则是电阻器、电容器和电感器。如今,HP Labs声称他们已经证实了怎样控制忆阻器材料,它会随着流经它的电流的变化而改变电阻的大小。他们还承诺到明年,他们会加快商业RRAM(阻性随机存储器)原型芯片的开发速度。

  HP Labs负责忆阻器的研究者Duncan Stewart 说:“我们现在有实验能够证明忆阻器就是按照我们理论假设的那样去表现。另外,我们还实现了对忆阻器器件架构的工程控制,也就是说我们很快就能够生产出真正的芯片了。”
 
  原子力显微镜下的一个有17个忆阻器排列成一排的简单电路的图像,每个忆阻器有一个底部的导线与器件的一边接触,一个顶部的导线与另一边接触。该图片中的导线有50nm宽。图片由J. J. Yang, HP Labs许可。

  HP Labs忆阻器是一个有两个接线端、两层半导体,是在交叉开关矩阵架构中两个金属电极间夹有钛氧化层结构。其中一个钛氧化层中参杂着氧空位(oxygen vacancies) ,让其成为一种半导体物质;而紧挨着的这一层则不参杂任何物质,保持原始状态,让它作为一种绝缘体。通过监测交叉开关中两个电极之的电阻的变化,就可以确定RRAM是处于“开”或是“关”的状态了。

  由于其中一个钛氧化层是处于绝缘体的原始状态,它的记忆开关就处于“关”的状态。在交叉开关的交叉点加上一个偏压,氧空位就会从掺杂质的钛氧化层流动到不含杂质的那一层,从而使其开始传导,打开记忆开关。同样,通过改变电流方向,氧空位就会回到含杂质的那一层,因为也就关上了记忆开关。

  忆阻器的最大优点就在于它的电阻变化是非易失性的,直到加上反偏压之前,他都保持不变。这就使氧缺位能够转移到含杂质的那一层,现在的转换时间在50纳秒。

  Stewart 说:“人们已经在与忆阻器类似的电阻开关的材料上花了很多时间,至于他们为什么要去研究,有很多不同的解释。我们的演示是将机械装置放在非常稳固的底座上。我们仅仅知道这样一个事实:氧空位改变了金属氧化物的接触面特性”。

  然而,仅仅知道氧缺位改变钛氧化物的电阻,还不足以对材料施加工程控制。HP Labs的研究者还需要通过仔细测量来确定材料的特性。开始,他们假定氧缺位会影响金属氧化物材料的整体性质,而现在HP称氧化物和金属电极间接触面的纳米级变化都会影响忆阻器电阻的变化,而不是之前假设的材料整体性质的变化。

  Stewart 说:“在实验上,我们已经确定氧缺位能够改变金属氧化物表面的电子势垒。”

  研究者还表明,忆阻器材料通过将肖特基势垒(Schottky barrier)——金属和半导体间接触面电子势垒来运作,而不是通过改变钛氧化物的整体特性来运作的。

  HP Labs发明了一种表现忆阻器中不同层之间接触面细节特性的解决方案:在芯片上水平布置而不是竖直布置试验器件。HP Labs研究者Jianhua (Josh) Yang说:“我们用单晶体钛氧化物在横向器件而不是垂直器件中制造忆阻器,这样,我们就能够对这两个界面进行分开测试,进而可以确定是哪一个在控制忆阻器的运行。”

  HP Labs制作了许多不同结构的水平器件来全面监测忆阻器的运行。这些水平器件还可以用来测量不同命令下各层的电子特性,从而为制造基于忆阻器的CMOS半导体打下知识基础。Yang说:“现在我们知道怎样设计新设备,因此我们能够获得我们想要的功能。比如,如果我们需要一个正极电压来关掉忆阻器,我们就只需在最上层装一个钛氧化物层;但是如果你需要一个正极电压来打开忆阻器的话,你就需要在最下层装一个钛氧化物层。”

  HP Labs现在正致力于他们的第一个原型芯片,用来演示研究者预计在明年实现的工作电路功能。Yang说:“现在,通过工程控制,我们可以制作一个具备特定电路性能的器件。只有通过工程控制,你才能够制作大的集成电路。”

  HP Labs的原型芯片将用于利用其交叉开关矩阵结构的RRAM。间隔小于50纳米的金属线作为底部电极,而顶端电极则是金属线与底线垂直形成的一个交叉开关矩阵开关。工程师计划在金属线之间加上两层钛氧化物,一层掺杂有氧缺位,一层则不掺杂。金属线之间的运行电流——一个在顶端,一个在底端——该器件将能够记录单个存储单元,改变它们的电阻,进而控制存储器的开关。

  Stewart说:“现在我们正在设计实际电路,我们的早期目标市场是NVRAM(非易失性随机存取存储器),这个市场非常有潜力。”

  HP Labs预计于2009年推出基于忆阻器的交叉开关的RRAM原型芯片。

  同时,他们还将利用类似的交叉开关结构来监测模拟电路中电阻的精确变化,HP Labs声称在每一个交叉开关中具有可调电阻的忆阻器阵列,能够使其像人的大脑一样的思考、学习,在人的大脑中的突触就是无论电流何时流过,都会得到加强,这与电流通过忆阻器时电阻会减小类似。这样的神经系统网能够学会根据需要让电流从不同的方向流入。

  Stewart说:“RRAM(阻性随机存储器)是我们的近期目标,我们的第二个目标是忆阻器,从长远看来,则是通过建立相应的控制电路来改变计算处理,将电子突触用于模拟电路,还需要至少五年的时间。”


  他们预计生产出第一个模拟忆阻器原型还需要五年的时间,而要其进入商业应用还需要十年左右。

关键字:忆阻器

编辑:梁朝斌 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/others/market/200807/article_17935.html
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