正版名阻变存储器材料与器件9787030419057潘峰,陈超 epub pdf mobi txt 电子书 下载 2024

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基本信息

书名：阻变存储器材料与器件

定价：148.0元

作者：潘峰,陈超

出版社：科学出版社

出版日期：2015-05-20

ISBN：9787030419057

字数：481

页码：

版次：31

装帧：圆脊精装

开本：B5

商品重量：0.4kg

编辑推荐

《阻变存储器材料与器件》可供存储器材料与器件及相关行业从事研究和生产的科研人
员、技术开发人员和大专院校的师生参阅。

内容提要

《阻变存储器材料与器件》对近年来材料、微电子、信息、物理等领域共同关注的非易失
性存储器—— 阻变存储器的材料、结构、性能、集成及应用等方面进行
了较系统的介绍。《阻变存储器材料与器件》共7 章， 章为绪论，概述了存储器类型与发
展历程；第2 章为阻变存储器基础；第3 章为阻变存储器的材料体系及
制备方法；第4 章为阻变存储器的电阻转变机理，重点阐述了金属导电
细丝型、氧空位导电细丝型、界面势垒调节型、缺陷俘获释放型、电致
热化学转变型等各类阻变存储器的电阻转变特性与机制；第5 章为阻变
存储器的性能优化，讨论了性能优化的各种途径；第6 章为阻变存储器
的集成结构，对十字交叉阵列的阻变存储器中串扰电流的抑制方法进行
了诠释；第7 章为电阻转变效应的其他应用。

目录

作者介绍

文摘

第 1章绪论
自 20世纪 40年代台计算机诞生以来，现代计算机系统的结构依然基于冯·诺依曼原理，即由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备等五部分组成。其中，存储器 (memory)是计算机的记忆单元，用来存储各种程序和数据，是计算机中不可或缺的组成部分。计算机系统中的所有信息，包括原始数据、运算程序、中间运行过程和昀终结果都存放在存储器中。有了存储器，计算机才具有记忆功能，才能保证正常的工作。存储器采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息，这两种稳定状态就可以分别用来表示计算机二进制运算中的“1”和“0”。
根据数据在存储器中保存时间的长短可以把存储器分为易失性存储器 (volatile memory)和非易失性存储器 (nonvolatile memory)两大类。易失性存储器断电之后信息就会丢失，故主要用于存储短时间使用的程序，例如动态存储器(dynamic random access memory，DRAM)。而非易失性存储器在断电后仍然能保持存储的信息，如闪存(flash)。随着手机、数码相机等便携式电子设备的不断普及，非易失性存储器在现代人的日常生活中正扮演着越来越重要的角色。随着科学技术的进步，存储器从昀原始的打孔卡到现在已经发展出了数十种不同的形式，现今的技术手段已可以利用电、磁或光等不同类型的媒介来存储信息。在众多存储器中占据主导地位的是 DRAM，它自 1967 年注册以来，以其存储单元设计简单、结构小巧、处理速度快 (<10ns)等优点统领着存储器市场，并作为计算机的主存储器使用。但是 DRAM存在着易失性的劣势，需要保持的电压才能保存其中存储的信息。为了保存 DRAM中的数据，实际使用过程中必须设置专门的刷新电路，对其进行持续不断的刷新，这既增加了能耗又给电路结构增加了额外的负担。闪存等传统存储器满足非易失性的要求，但其响应速度慢 (>1μs)，可重复擦写次数有限 (<106)。因此，半导体行业一直在寻求一种响应速度类似 DRAM并且具有非易失性特征的新型存储器 。这种新型存储器必须整合现有存储技术的优点，例如高速、高密度、低功耗、大容量、非易失性等，从而以一种通用存储器的形式占领绝大部分的存储器市场，届时，计算机的存储器将不再分为主存储器和外部存储设备，计算机操作者也不再需要经历漫长的开机过程和保存等操作，即使工作过程中断电也不影响下次开机时继续断电前的工作。新型非易失性存储器的应用将给计算机的性能和人们的操作习惯带来质的改变。
2013年发布的国际半导体路线图 (International Technology Roadmap for Semiconductor，ITRS)经过对目前在研的新型存储器分类 (图 1.1)和评估后重点推荐了阻变存储器 (resistive switching RAM，RRAM)，建议各科研机构加紧研发，资助机构加大支持力度，加速其商业化进程。

图 1.1 新型存储器分类
阻变存储器具有非易失性、可重复擦写、速度快等众多优点 ，其基本结构为非常简单的“金属 /介质层/金属”二端口结构，介质层选材范围广阔，可以是传统半导体、过渡族氧化物、电解质和有机半导体等。并且阻变存储器的这种二端口结构很容易做成十字交叉阵列，理论上单个器件的昀小面积可以达到 4F2(F是制备工艺中的特征尺寸 )，还可方便实现三维堆垛 (4F2/层数)，因此理论存储密度远高于现有各类存储器的密度 。表 1.1 统计了各种类型存储器的昀优技术指标，由表中可见阻变存储器的各项指标基本都处于的位置，例如擦写速度 (<1ns)堪比 DRAM，循环擦写次数高达 1012次，并且能进行多维和多值存储。虽然目前还没有哪个阻变体系的综合性能完全达到下一代存储器的严格要求 ，但是阻变存储器被认为是昀有希望实现商业化应用的新型非易失性存储器。
国际跨国公司如惠普、三星等都以阻变存储器为研发重点，它们报道的器件综合性能正在大幅提高，各项技术指标迫近应用标准，并申请了相关。众多高校及研究院所也在加紧进行阻变存储器的相关研究工作，参与国际竞争。近几年的技术发展表明对阻变存储器的基础研究正加速接近实际应用 ，阻变存储器已经成为了当前外电子信息与存储领域的研究热点，有望成为下一代商用非易失性存储器。
1.1 存储器概述
存储器的种类非常多 (图 1.1)，各类存储器在不同的时期不同的领域发挥着信息存储的重要作用。阻变存储器就被认为是潜在的下一代通用型存储器。在对阻变存储器的结构、性能和工作机理进行详细讨论之前，本章首先简要介绍一下存储器的分类和几种代表性存储器的性能特点，以便读者对于存储器的发展方向以及阻变存储器相对于其他存储器的优缺点有一个完整的了解。
存储器按读写功能的不同可以分为只读存储器 (read only memory，ROM)和读写存储器 (random access memory，RAM)两大类。ROM是一类存储内容固定不变，只能读出而不能写入的存储器；而 RAM是一类可以随意读出和写入，且存取的速度与存储单元的位置无关的半导体存储器。如前所述，如果按数据保存时间的长短又可以分为易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器的典型代表是内存，而非易失性存储器则主要作为计算机系统的外部存储设备。目前计算机市场上占主流地位的商用存储器包括内存、硬盘和闪存(图 1.2)，其中内存属于易失性的 RAM，硬盘属于非易失性的 ROM，而闪存则兼具非易失性和 RAM的优点。

图 1.2 主流的商用存储器(a)内存(DRAM);(b)硬盘;(c)U盘(闪存)
1.1.1易失性存储器
易失性存储器在断电时存储的数据会自动消失，如果需要保存数据，就必须把它们写入一个非易失性存储设备中 (例如闪存或硬盘 )。但是易失性存储器具有存取的特点，而存取存储器是几乎所有存储器中写入和读取速度昀快的存储器，故通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介。常见的存储器包括静态存储器 (static RAM，SRAM)和动态存储器 (DRAM)两大类。
SRAM是在静态触发器的基础上附加门控管而构成的，它靠触发器的自保功能存储数据。 SRAM是一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据，因而它的速度非常快，通常作为计算机中的高速缓存。但是， SRAM的集成度较低，掉电不能保存数据，相同的容量体积较大，功耗较大，而且价格较高，故 SRAM只是少量用于关键性系统中以提高效率。
DRAM在众多类型的存储器中占据着主导地位，它是我们如今正在使用的计算机的主存储器，是与中央处理器 (central processing unit，CPU)进行沟通的桥梁。 DRAM在 1966至 1967年由 IBM公司的 R. Dennard发明，以其存储单元结构简单、容量大、速度快 (<10ns)等特点统领着计算机的主存储器市场。但是 DRAM也有其自身的缺陷，即它是一种易失性存储器，并且这种缺陷随着对计算机性能要求的提高而更加明显。 DRAM利用电容存储的电荷来存储信息，而电容不可避免地存在漏电现象，因此 DRAM需要不断被刷新，通过刷新过程对漏电的电容进行充电操作。刷新过程限制了 DRAM的擦写速度，因为电容的充电需要时间，所以刷新的速度不能超过电容充电的速度，这就导致 DRAM的频率很容易达到上限，限制了其擦写速度。

1.1.2非易失性存储器
非易失性存储器是指在断电时所存储的数据也不会消失的一类存储器。在非易失性存储器中，信息的存储状态不依赖于外界的电源供应，这对于降低系统的能耗以及保证信息存储的可靠性和安全性方面无疑是非常重要的。在商用化的传统非易失性存储器中，依存储器内的数据是否能在使用电脑时随时改写为标准，可分为二大类产品，即 ROM和闪存。 ROM的特性是一旦储存数据就无法再将之改变或删除，且内容不会因为电源关闭而消失。在电子或电脑系统中，通常用来储存不需要经常变更的程序或资料，例如早期的计算机启动用的基本输入输出系统 (basic input output system，BIOS)芯片。传统的 ROM存取速度很低，并且由于不能改写信息，不能升级，现已很少使用。为了实现编程和擦除操作， ROM发展出了多种多样的类型，包括可编程只读存储器 (programmable ROM，PROM)，一次性可编程只读存储器(one time programmable ROM，OTPROM)，可抹除可编程只读存储器 (erasable programmable ROM，EPROM)。EPROM具有可擦除功能，并且擦除后还可进行再编程，解决了传统 ROM只能写入一次的弊端。根据擦除方式的不同，又可以把 EPROM分为紫外线可抹除可编程只读存储器 (ultraviolet EPROM，UVEPROM)和电子式可抹除可编程只读存储器 (electrically EPROM，EEPROM)。但是这些不同种类的 ROM都具有擦写不便，集成度低等特点。
另一种类型的非易失性存储器就是闪存，它具有密度大、功耗低、体积小等特点，又能在线快速擦除，因而获得了飞速发展。随着智能手机、数码相机等便携式电子产品的大量普及，市场上对于体积小，携带方便，抗震性好的非易失性存储器的需求越来越大，使得闪存在便携式存储器这一市场独占鳌头，销售额增长越来越迅猛。根据 IC Insights的研究报告显示，闪存的销售额在 2012年已经达到 304亿美元，甚至已经超过了 DRAM的销售额(280亿美元 )，预计闪存的市场在未来还将进一步扩大。
闪存其实是 EEPROM的一个变种，其存储单元结构同 EEPROM相似。不过 EEPROM只能对整个芯片进行擦写，而闪存能在字节水平上进行擦除和写入操作，另外闪存的擦写电压也比 EEPROM小得多。闪存的结构如图 1.3(a)所示，它由衬底、控制栅、隧穿氧化层、阻挡介质层等组成。闪存存储数据的原理是通过在控制栅上面施加强电场，把电子注入或者拉出浮栅来实现写入和擦除操作。如图 1.3(b)所示，在控制栅上面施加适当的电压把沟道中的电子拉入浮栅中并储存起来，浮栅中的电子使得器件的阈值电压升高 (>Vref)，此时器件存储的信息为“ 0”；在控制栅上面施加相反的电压时能够把浮栅中的电子拉出来，使得器件的阈值电压降低 (尽管闪存获得了巨大的成功并占据了存储器市场上昀大的份额，闪存本身仍面临着很多缺陷和难题。首先，闪存的擦写速度太慢 (0.1ms)，相比 DRAM(<10ns)要慢的多 (表 1.1)，因此闪存只能作为辅助的存储器或者外部存储设备，不能作为计算机的主存储器。闪存的第二个严重缺陷就是其擦写电压过高 (5V)。全球的微电子行业已经取得了共识：标准 Si逻辑电路的操作电压正从 5V降低到 3.3V再降低

序言

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