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忆阻器欲借RRAM革 命性影响电子发展史

2014-07-28  BBSBIAN
晶体管早在1925年就被发现,但随后沉寂了很长一段时间,直到50年代得到贝尔实验室的慧眼赏识。现在,另外一种具有突破性的电路在历经30多年默默的学术研究生涯后也有望迎来同样的成功,那就是惠普实验室即将推出的忆阻器(memristor)。

忆阻器是继电阻、电容和电感进入主流电子领域后的第四种无源电路元件。1971年就发明的这种“记忆电阻”,就像晶体管的发明那样将对电子电路理论带来全新的革 命,也许,机会已经来临。但就像较早的器件那样,还必须找到杀手级应用才能让它大放异彩。

正如助听器在晶体管发展过程中发挥重要作用那样,惠普实验室希望阻性随机访问存储器(RRAM)能打开忆阻器的市场大门。惠普实验室承诺明年推出这些超高密度存储器单元的原型。

“我认为忆阻器将使惠普有机会在未来10年中成为存储器技术的主导者。”Gartner公司副总裁Martin Reynolds表示,“大家已经看到惠普公司过去重新塑造过自己许多次了,忆阻器技术正是推动该公司再一次发生这种改变的动力。”

然而,时间也在悄然流逝。去年,惠普的矩阵交换器(crossbar switch,该公司正在开发的一种新型存储器的构建模块)密度曾达到闪存的20多倍,从而使惠普能从容地完善RRAM。但不到一年的时间内,闪存密度已经通过每单元2位和3位的配置分别提高了4到8倍。

这种前所未有的飞跃缩小了惠普的优势。RRAM的密度现在只有闪存的三倍,这使人不禁担忧其作为新一代存储器技术的坎坷命运。

“当几年前惠普开始研发矩阵交换器时,密度曾达到闪存的40或50倍,”Reynolds表示,“但现在密度大约只有闪存的三倍。为了保持领先优势,惠普必须设法将忆阻器当前的100Gb/cm2密度提高到Tb数量级。”

图1:助听器使晶体管获得巨大成功。什么样的杀手级应用能使忆阻器得到普及呢?
图1:助听器使晶体管获得巨大成功。什么样的杀手级应用能使忆阻器得到普及呢?

不管惠普的RRAM是否会成为杀手级应用,忆阻器肯定会成为像晶体管那么重要的一项开发成果。但如同晶体管那样,应用还需要经过一段时间的累积。

“忆阻器的历史与晶体管从发明到首次大规模应用时隔35年的历史非常相像。”圣母大学电子工程教授Wolfgang Porod表示。晶体管是物理学家Julius Edgar Lilienfeld于1920年代发明的,发明后很长时间没有发挥其应有的潜能,直到引起贝尔实验室研究人员William Bradford Shockley、John Bardeen和Walter Houser Brattain的注意。这三位研究人员因为领先和杰出的研究工作而获得1956年的诺贝尔奖。

Porod指出,晶体管的首次应用是耳内助听器,当时晶体管的小体积证明其价格高出真空电子管是合理的。不久晶体管收音机开始推广。

如出一辙,惠普公司认为RRAM应用只是忆阻器初露的锋芒。惠普实验室预测忆阻器将在神经网络中大展宏图,因为忆阻器可以根据需要让电流往任意一个方向流动,从而实现神经网络的自适应功能。

“RRAM是我们的近期目标,但我们对忆阻器的长期目标是通过创建具有学习能力的自适应控制电路改变运算机制。”惠普实验室忆阻器首席研究员Duncan Stewart表示。

使用类似于RRAM的矩阵架构并借助于模拟电路中的精确电阻变化,惠普实验室声称在每个交叉点具有可调电阻的大规模忆阻器阵列可以实现像人脑一样的学习功能。在人的大脑中,神经键只要有电流流过就会得到增强,这与电流流过忆阻器会降低其电阻的特性是一样的。

“使用电子神经键的模拟电路至少还需要5年多的研究工作。”Stewart表示。惠普实验室估计商业应用大约还需要十年时间。

基本原理

从技术上讲,忆阻器是一个与磁通量和电荷相关的无源电路元件,就像电阻与电压和电流相关、电容与电压和电荷相关、以及电感与磁通量和电流相关那样。但事实上,自从加州大学伯克利分校的电子工程教授蔡少堂从电路理论上揭示上述第四种组合关系以来一直没有引起人们的重视。蔡教授在1971年就撰写了有关忆阻器的学术论文。

“忆阻器代表了电路理论的根本变革。”工程学院校长、加州大学Merced分校电子工程教授Sung-Mo Kang表示。最重要的电气参数是电压、电流、电荷和磁通量,他指出,“如果考虑这四个变量之间的基本关系,就可以得到描述电阻、电感和电容的公式。”

但还有第四种被所有人都忽视了的组合关系,Kang指出。“蔡教授的厉害之处在于认识到了这种组合,并把它定义为新的无源器件——忆阻器。”他表示,“蔡的论据还只是停留在数学计算方面,但从他的表述可以看出忆阻器与电阻、电感和电容一样是基本的电路元件。”

图2
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蔡教授根据该器件的行为将其命名为忆阻器。该器件像可变电阻那样工作,可以“记住”通过改变两端电压而改变的通过电流大小。因此该器件可以用作存储元件,当电流流向某个方向时“接通”,当电流流向相反方向时“关断”。

“电阻代表了电压与电流的关系,忆阻器代表了磁通量与电荷的关系。”圣母大学的Porod表示,“但随着时间的推移,累加磁通量就会形成电压、电荷就会形成电流。因此与磁通量和电荷相关的器件(比如忆阻器)将随着时间的流逝而与电压和电流相关,就像可变电阻那样,根据上面流过的电流大小和方向改变它的阻值。”

35年来,只有蔡教授和他以前的少数学生向年轻的工程师教授灌输过忆阻器的概念。在实验课上,蔡教授用电阻、电感、电容和晶体管搭建了电路板来模拟忆阻器。他还写了许多论文向电子工程师们介绍详细的忆阻器特性,从而让他们能印象深刻地记住今后如何识别忆阻器。

尽管如此,忆阻器的想法在学术界还是盘梗了35年之久,直到惠普公司的化学家Stanley Williams(现为高级研究员)认识到他已经发现与蔡教授所描述行为相同的电路元件。

“电子工程师识别忆阻性电路元件的方法是通过器件的电压-电流关系。”蔡教授表示,“这种关系类似通过原点的磁滞回线,我将其称为一种收敛的磁滞回线。”

在过去15年间纳米电子领域的许多文献中都讨论过这种收敛的磁滞回线,蔡教授表示,“但这些文章的作者对这些器件作了不正确的定义和判断。”而由物理学家、化学家、数学家和惠普实验室工程师组成的Williams多学科团队才首次正确地识别出忆阻器,蔡指出,即“矩阵交换器中使用的二氧化钛纳米结构”。

由于忆阻器的阻抗会随流经电流的大小而改变,因此惠普公司将忆阻器用作总体项目中的关键元件,并用它来创建使用矩阵交换器的全新存储器。通过使用纳米级光刻工艺,惠普已经完善了超高密度正交金属线的交叉阵列——矩阵交换器的制造方法。通过从顶层阵列选取一根线、从底层阵列选取另一根线,可以直接寻址到两根线交叉点的任何一位,从而实现目前集成密度为100Gb/cm2的交叉阵列。而闪存的密度目前为32Gb/cm2。

一段时间来,惠普无法找到可靠的材料作为交叉阵列之间的夹层,尽管公司尝试各种非易失性存储器材料做了好几年的试验。去年,惠普曾用有机分子作为存储元件实现交叉阵列,但有机材料对高温的敏感性迫使惠普开始在无机领域寻找稳定的非易失性材料。

“在交叉矩阵中使用忆阻器的好处,是它使用了相对稳定的无机材料(如二氧化钛)。”Gartner公司分析师Reynolds表示。

由于忆阻器由无机二氧化钛组成,惠普相信最终找到了利用阻性随机访问存储器超越闪存和其它替代性存储器技术(如PRAM)的正确方法。现代、英特尔、三星、意法微电子和其它公司都已从Ovonyx公司获得了基于硫化物的PRAM技术许可。

“我们现在认为忆阻器是实现矩阵交换器的最佳技术。”Williams表示。

惠普公司业已证明,它能通过让电流流过忆阻器进而控制忆阻器材料来改变交叉点电阻。惠普表示,只要测量任意阵列单元的电阻就能判断非易失性位的状态是“开”还是“关”。在利用纳米光刻制造交叉阵列的工程经验基础上,惠普承诺将加快RRAM原型芯片的开发。

“我们现在已经能对忆阻器件结构做出很好的工程控制,因此我们很快就会推出实际的芯片。”惠普实验室的Stewart透露。

惠普实验室的忆阻器是一种双端子两层半导体器件,采用交叉矩阵架构中的两个金属电极间夹二氧化钛层的结构制造。一个二氧化钛层利用氧空缺掺杂成为半导体,相邻层则是无掺杂的自然状态,作为绝缘层。

通过在交叉结点间施加一个电压偏置,氧空缺就会从掺杂层漂移到无掺杂层,使之开始传导,从而接通存储器开关。同样,通过改变电流方向,氧空缺可以返回到掺杂层,从而切断存储器开关。开关时间约50ns。

前景展望

惠普研究人员表示,无需改变二氧化钛的大多数特性,只要通过将肖特基势垒(金属和半导体接口处的电子屏障)变薄就可以使忆阻器材料工作。

惠普实验室承诺的原型RRAM可能只能演示存储器阵列本身可以通过外部电路进行读写。下一个里程碑是在传统的硅片上制造交叉存储阵列,在硅片上集成读写和寻址电路,并将存储器阵列嵌入到顶部的金属层中。

“目前所有存储器的存储元件都将硅晶体管用作存储元件,”Gartner的Reynolds表示,“我对交叉矩阵最关心的是它将存储单元移到了硅片外面,并把它放在顶层。”

由于“相关的传统硅片电路”是用来控制和管理阵列下逻辑,因此交叉存储器阵列可获得比眼下其它晶体管技术更大的密度。他补充道。

PRAM同样允许存储单元移到硅片外面,并构建在独立的硫化物薄膜中。但硫化物是一种玻璃材料,只能组织成两种不同的状态,即晶态和非晶态。而RRAM具有全范围的模拟电阻值。因此就像今天的闪存一样,它们可以在每个单元中编码多个比特。

“惠普公司必须要证明RRAM强于基于硫化物的技术。”Reynolds表示。

作者:罗克铃

附录:

晶体管里程碑

1925年

莱比锡大学物理学家Julius Edgar Lilienfeld针对金属取向附生半导体场效应管提出首个晶体管专利申请(MESFET,美国专利号1745175),但没有实际制造出产品。

1928年

Lilienfeld申请了薄膜金属氧化物半导体FET专利(MOSFET,美国专利号190018),但没有实际制造出产品。

1934年

德国哥廷根大学物理学家Oskar Heil在德国申请了FET专利(德国专利号439457),但没有实际制造出产品。

1945年

贝尔实验室成立了由物理学家William Shockley领导的固态物理学小组,目的是开发能替代真空管放大器的产品。

1948年

贝尔实验室物理学家John Bardeen由于制造出实用的点接触FET获得美国2524035号专利。William Shockley则由于开发出现代结点FET而获得美国2569347号专利。

1952年

Sonotone推出首款商用化的晶体管应用——助听器。

1953年

索尼、TI和其它公司展出首批晶体管收音机。

1956年

贝尔实验室物理学家Shockley、Bardeen和Walter Brattain因为开发出全球第一个实用晶体管而共享诺贝尔奖。

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忆阻器里程碑

1971年

加州大学伯克利分校电子工程师蔡少堂发布了“寻获失落的忆阻器”论文(IEEE电路理论学报第18册第5页),但没有制造出产品。

1976年

蔡少堂发布了“忆阻器件和系统”论文(IEEE学报第64册第2页),但最终只是做出了一个模拟器。

1980年

蔡少堂发布了“最先进的动态非线性网络”论文(IEEE电路学报第27册第11页),对包括忆阻器在内的非线性电路元件进行了建模。

1995年

惠普实验室成立了由化学家Stanley Williams领导的“量子结构研究组织”,目的是开发能代替晶体管开关的分子级产品。

2002年

蔡少堂发布了“纳米器件的非线性电路基础”论文(IEEE学报第91册第11页),将忆阻器放进了他的非线性电路理论中。

2005年,蔡少堂获得了IEEE颁发的Gustav Robert Kirchhoff奖,公认他为非线性电路理论和细胞神经网络之父。

2006年

惠普公司的Stanley Williams为全球首款实用忆阻器申请了美国专利。

2008年

惠普实验室发布了基于半导体中充电掺杂物漂移的忆阻器件的描述,并提出两种应用——非易失性阻性随机访问存储器(RRAM)和模仿大脑神经网络的电子神经键。


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