发布时间 : 星期六 文章阻变随机存储器(RRAM)综述 - 图文更新完毕开始阅读
如上面举例中介绍的SrTiO3，其导通是由小范围内实际阴极区与阳极的穿通，因此仍属于细丝导电机制。对于此类细丝导电，其关断电流来自于整个电极面积的漏电，而开启电流则主要来自于细丝处的导通电流，因此缩小电极的面积将有助于提高开关电流比。需要注意的是，基于VCM效应的器件并非都是基于细丝导电。如图13所示，Nb掺杂的SrTiO3所表现出的开启电流和关断电流都表现出对电流的依赖[28]。据分析，该单元的阻变机制同样属于VCM效应，具体是由于场致氧空位迁移导致整个界面处的肖特基势垒发生变化。因此，基于VCM效应的RRAM单元同时包括细丝阻变和界面阻变两大类。
2.4.3 热化学记忆效应
热化学记忆效应（Thermochemical Memory Effect）可以简写为TCM效应。基于TCM效应的单元，其阻变特性是由热反应导致，阻变行为基本都为单极型。在基于转移金属氧化物介质层的RRAM单元中常常会观测到TCM效应。当然，相变存储器（PCM）器件往往也是基于此类原理，这里我们暂不介绍。典型的基于TCM效应的阻变IV特性如图13所示[43]，可以看到这是基于细丝导电原理的阻变现象。在第一周期，初始化的TCM元件处于高阻状态，此时偏压不断升高，当偏压达到5V时细丝形成。在第一周期采用1mA的限制电流，以防止细丝形成的过程中器件击穿失效。接着，当从0V开始重新进行扫描时，细丝保持低阻态的开启状态，直到一个高于限制电流的临界电流，复位过程发生，TCM单元由低阻态变为高阻态并保持。此时如果继续升高偏压，在一个低于初始细丝形成电压的偏压下，置位过程即可发生，此时的置位限制电流比先前的细丝形成限制电流略小。
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图13.基于Pt/NiO/Pt结构的TCM单元IV曲线，NiO厚度50nm。[43]
TCM单元的初始阻值和关断阻值都是依赖于单元电极面积的变量，于是该电流为发生于整个电极面积的漏电流。而TCM单元的开启状态被普遍认为是基于细丝导电，但具体是由单一细丝还是多条细丝共同完成开启，这一点还需要进行更多的讨论。TCM单元的开态和关态阻值都对温度表现出很小的依赖，并不像基于金属细丝的器件表现出的高温度依赖，由这样的现象可以推断TCM单元的阻变是同时依赖于金属和缺陷共同造成的相变。而基于以上的实验现象，研究者推断TCM效应的单极型阻变行为的置位过程是由氧化层的热致击穿形成导电细丝造成的，由于限制电流的保护，导电细丝的存在并不至于破坏整个器件。而在较大电流的情况下，这样的导电细丝又很容易被热致破坏，氧化层部分恢复，从而使复位过程发生。
接下来从理论上分析整个TCM过程。当加在介质层上的偏压高于一个临界值时，任何介质层都会发生击穿效应，一般这样的击穿过程是由热耗散造成的。通
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过施加一个电场E，介质层，如过渡金属氧化物，其剩余电导σ会导致局部焦耳热的产生。这些能量通过温度的升高和导热来平衡
(2)
其中CV为比热容，为热导。热耗散过程是由剩余电导率对温度的指数依赖造成的，这种现象在所有绝缘体和半导体材料中都得到了证实
(3)
式中WA为电导的激活能，通常由载流子浓度的温度依赖所决定。在TCM单元的阻变过程中，由于快速的温度升高，式(2)中的导热项基本可以忽略。基于以上理论，TCM单元的开启过程首先是由热耗散造成的电导率迅速提高过程，此时的开启状态，即低阻状态事实上是一个暂态。不过，当电场被维持甚至继续升高，此暂态将会导致介质层内局部氧化还原反应的发生，在能量的帮助下金属阳离子被还原至低价态，从而在高温区域发生O2的溢出。而正是这些过程才导致介质层开启状态的完全发生，从而成为非易失性的状态。在高温下，过渡金属氧化物中的
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图14. 几种不同的过渡金属氧化物的形成条件比较图。横轴标明氧化物形成过程对温度的依
赖，而纵轴标明不同的氧气分压。[28]
金属阳离子趋向于低价是一种普遍现象，如图14所示。这也解释了为什么TCM现象在几乎所有的转移金属氧化物中都有观测。
根据研究者的报道，对于TCM单元中阻变发生的位置仍有很大争论，具体细丝的形成和破坏发生在阳极或者阴极附近，抑或是发生在细丝的中间位置，这仍
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