氧化物阻变存储器机理与性能调控

获奖项目:氧化物阻变存储器机理与性能调控

  主要完成人:刘明(中国科学院微电子研究所),刘琦(中国科学院微电子研究所),管伟华(中国科学院微电子研究所),龙世兵(中国科学院微电子研究所),王艳(中国科学院微电子研究所)

  推荐单位:中国科学院

  获奖等级:国家自然科学奖二等奖

  项目简介:

高性能数据存储是信息科学的重要基础,氧化物阻变存储器(Oxide based Resistive Random Access Memory: O-RRAM)具有优异的存储性能,是国际微电子学科的研究前沿和热点。O-RRAM的阻变机理和性能调控涉及氧化还原、载流子迁移等物理化学效应导致的材料成分、结构和能带变化,是一个挑战性难题,解决该难题将为发展新原理的信息存储奠定科学基础。

该项目在国家自然基金杰青和创新群体、科技部973等项目持续支持下,揭示了O-RRAM的高低阻态转变机理,发现了存储性能调控规律,提出了提高调控参数一致性的方法。主要科学发现如下:

1、在纳米尺度揭示了阻变机理 发展了器件原位表征的透射电子显微镜(TEM)制样方法,在纳米尺度下观察到O-RRAM导电通路形貌、结构、成分、生长/断裂等微观信息,揭示了氧化物导电桥阻变存储器中电子传输对阻变的作用机理,建立了局域氧化/还原效应主导的导电通路生长/断裂模型。惠普实验室首席科学家J. J. Yang等在Nature Nanotechnology综述中四次引用代表性论文1,并评价“在纳米尺度实时观测到阻变过程中材料成分和结构变化是非常有价值的”。

2、发现了功能层掺杂调控存储性能的规律 揭示了通过功能层掺杂降低阴阳离子(氧空位、金属离子等)形成能和迁移势垒的调控机理,发现了功能层阴阳离子分布均匀性对存储性能的作用规律,首次提出了功能层掺杂的存储性能调控方法,解决了原有O-RRAM良率低、性能差的难题。台湾交通大学曾俊元教授(IEEE Fellow)在综述中用近二页篇幅引用代表性论文4-5,并评价“刘研究组首次提出掺杂纳米晶改善阻变存储器性能的方法”。

3、提出了局域电场增强调控器件参数一致性的方法 阐明了导电通路随机生长是器件参数离散的物理本质,发现了功能层电场强度与导电通路生长速率的指数规律,提出了增强局域电场实现导电通路可控生长的方法,完成了器件制备,大幅度提高了器件参数的一致性。纽约州立大学石溪分校Likharev教授(APS/IEEE Fellow)在综述中引用代表性论文8,并评价在参数一致性的问题上“中科院(该项目组)等是最值得关注的”。

8篇代表性论文被SCI他引750次,20篇主要论文被SCI他引1158次。在EDL/TED(该领域最权威期刊)、Adv. Mater.等期刊共发表相关论文68篇,二项工作入选ITRS(国际半导体发展路线图),6篇论文入选ESI高被引论文榜。作为典型进展被莱布尼兹奖获得者Waser、纽约州立大学石溪分校卓越教授Likharev等知名学者写入15本著作和40篇综述。基于该项目的科学发现,成功研制了基于HfO2的1kb O-RRAM,电子学会组织的鉴定会结论为“电路性能国际领先”。

全部成果由该项目组独立完成。第一完成人是杰青和创新群体负责人,973项目首席科学家,第二、四完成人获国家优秀青年基金,第二完成人获卢嘉锡青年人才奖。第一完成人在重要国际会议做邀请报告30次。该项目主要成果获得2015年度中国电子学会科学技术奖自然科学类一等奖。

 

 项目主要完成人

 

阻变存储器简介

 

阻变模型与机理

 

性能调控规律

 

参数一致性方法

 


基于HfO2的1kb RRAM

 

 

 

 

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