一文解析阻变存储技术

RRAM基于双稳态电阻转换的阻性存储器（RRAM）作为集动态/静态随机存储器和浮栅存储器功能为一体的通用存储器，是NAND技术后的下一代非易失性存储（NVM）技术。

目前，业界普遍认为RRAM是非易失性存储器下一轮竞赛中的领先者，这源自阻性存储材料丰富的物理特性及其独特的存储原理。阻性存储材料涵括了氧化物材料、硫系半导体材料、2D材料、有机聚合物材料。根据存储原理，这些材料可用以构建氧化还原型存储器、铁电隧道结存储器、Mott存储器、分子存储器和柔性存储器。其中，某些特有的存储原理与功能使这些存储器可拓展至多环节应用，在多领域交叉方面大显身手。

（1）氧化还原型阻性存储器及其材料。该类存储器包括两类，即：基于金属阳离子行为的EMB或CBRAM（电化学金属化桥存储器，有的也称之为可编程金属化单元PMC）和基于氧阴离子的VCM（ValenceChangeMemory，价态改变型存储器）。

EMB阻性存储器通常采用活性电极-离子导体-惰性电极系统，电化学活性材料如Ag或Cu可制成活性电极，惰性电极采用W或Pt等，离子导体可以是固体电解质薄膜（如：银硫系化合物Ag2S和Cu2S等），也可以是氧化物（如ZrO2）。其中的导电细丝或金属化桥的形成依赖于活性金属的电化学反应。这类RAM技术可满足固态硬盘、嵌入式非易失性存储器等多样市场需求。2012年，已经有基于EMB的串行非易失性存储器商业产品问世。

2015年2月，Micron发布了采用27nm技术制造的16Gb的CuCBRAM芯片（见图4）。此外，EMBRRAM备受关注的是其电化学反应调控的可重构开关，它不仅可以作为突触元件应用于人工神经网络技术（见图5），而且与其他系统的集成能够提供更为丰富的功能。例如2014年报道了一种集成了阻性存储器的超级电容器系统，其放电过程的稳定性获得大幅提升。

图427nm技术的16GbCuCBRAM

图5基于Ag2S忆阻器的类突触记忆强化功能

依赖于氧阴离子（或氧空位）的VCM阻性存储器根据阻态转变行为又分为金属氧化物双极型（MOBF）RRAM和金属氧化物单极型（MO-UF）RRAM两类。前者一般采用双层氧化物结构，其中至少一层是非化学计量比的氧化物薄膜，例如可商业化的Ta2O5-x/TaO2-x结构。2012年，松下展示了一个8Mb的TaOxRRAM，它具有8.2ns的写入脉冲速度和443Mb/s的速率。2013年初，东芝公司发布了与24nmCMOS相集成的32GbRRAM存储器。

同年7月，松下推出了第一款替代EEPROM的商用8位微控制器，它采用了集成TaOxRRAM的0.18μmCMOS处理器。另一类MO-UFRRAM也被称作为热化学存储器（TCM），采用的介质材料为NiOx、HfOx等，电极一般选用TiN、Pt和W等。与前述存储结构不同，MO-UF器件不依赖结构上的不对称性来实现阻性存储，而且其写/擦电压极性相同，因此在制备小尺寸存储阵列方面具有优势。此外，其单一电压极性的编程方式也大大简化了电路。

（2）铁电隧道结（FTJ）存储器及其材料。常见的铁电隧道结采用金属/超薄铁电薄膜/金属这样的三明治结构，几纳米厚的铁电层作为电子隧穿势垒，其自发极化翻转使得势垒高度发生明显变化，从而在隧道结中获得高、低两个电阻态。

铁电极化的快速翻转能力使得铁电隧道结阻性存储器在快速度、低功耗等方面有得天独厚的优势，比如：其读电压通常仅为100mV，写操作的能量可以降低到10fJ/bit。FTJ因受限于低的隧穿电阻开关比一度遭遇技术瓶颈，后来通过巧妙设计铁电异质结构跨越了这一障碍，2013年报道了一种新结构的BaTiO3FTJ存储器，将其中一端的金属电极用铁电半导体替代，从而实现铁电自发极化翻转对势垒高度和宽度的同时调控，获得异常增强的隧道结电阻开关比。而且，此类铁电异质结构的阻态取决于铁电畴结构，通过微结构调控能够实现可控的准连续阻态变化，这是实现人工认知的关键环节。采用FTJ可以执行“类脑”的编码、训练、识别等功能。

（3）Mott存储器及其材料。利用Mott绝缘体材料在外界刺激（光、热、电）下发生金属态-绝缘态转变从而实现双稳态存储。VO2和NbO2是其中的代表性材料，这些材料不但具有刺激依赖的电阻调控能力，而且能够获得刺激依赖的电容调控，因此可以执行多环节、跨领域的复杂任务。2009年《Science》报道的谐振频率即时可调的谐振器，正是利用了VO2Mott忆容器对电容的调控特性。

2014年美国UCBerkley报道了一种集成了Mott存储器的可扭转的人工微肌肉系统，该系统利用了VO2忆阻器对电阻的即时调控特性，对扭矩和转速进行实时控制（图6）。这种人工微肌肉系统使具有反馈、响应和自适应等能力的未来智能机器人成为可能。

图6集成了VO2Mott忆阻器的可扭转的人工微肌肉系统

（4）聚合物阻性存储器。该类存储器充分发挥了聚合物材料可弯曲与可延展性以及易于图案化加工的特点，能够与电子皮肤系统无缝对接，在可穿戴设备领域有得天独厚的优势，使可穿戴通讯、处理与存储技术成为现实。此外，柔性阻性存储器在医疗诊断领域也崭露头角。2014年《NatureNanotechnology》报道了阻变存储器件与药物缓释器件集成的电子皮肤系统（图7）。该系统利用传感元件实时监控患者的生理体征，通过阻性存储元件对数据进行保存、对比并反馈至药物释放驱动元件，使可穿戴的诊疗及保健系统不再只是科幻作品中的想象。

图7阻变存储器件与药物缓释器件集成的电子皮肤系统
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