近日由日本大阪大學(xué)的研究小組于英國(guó)科學(xué)雜志《 Scientific Reports》上發(fā)布了一篇名為High-temperature operation of gallium oxide memristors up to 600 K（氧化鎵憶阻器可在高達(dá) 600 K的高溫運(yùn)行）的氧化鎵相關(guān)論文。
文章摘要
大阪大學(xué)的佐藤健人、林侑介、正岡直樹(shù)、藤平哲也副教授和酒井朗教授組成的研究小組，首次成功地在高溫狀態(tài)下運(yùn)行了作為電阻變化型儲(chǔ)存設(shè)備的憶阻器。近年來(lái)，開(kāi)發(fā)可在高溫狀態(tài)下運(yùn)行的集成電路的進(jìn)程中，非易失性存儲(chǔ)器是必不可少的。對(duì)于只能在200°C以下運(yùn)行的人工智能（AI）中使用的腦型計(jì)算機(jī)元件的硅晶體管，我們希望開(kāi)發(fā)出在更高溫度下可以運(yùn)行的元件。此次研究中，使用了寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵生成的還原性非晶態(tài)氧化鎵薄膜制造存儲(chǔ)器，并且用實(shí)驗(yàn)證明了即使在300°C以上也擁有安定的存儲(chǔ)性能。這種擁有能夠在高溫狀態(tài)中運(yùn)行的具有高環(huán)境耐性的存儲(chǔ)元件是航空航天和抗放射性等極端環(huán)境應(yīng)用的優(yōu)良選擇。
研究背景
現(xiàn)在信息社會(huì)中的大多數(shù)計(jì)算機(jī)是由硅晶體管構(gòu)成的邏輯和記憶元件的集成電路組成。即使是通過(guò)自動(dòng)駕駛和圖像識(shí)別等應(yīng)用而變得普遍的人工智能硬件，其內(nèi)部類(lèi)似大腦的計(jì)算機(jī)元件也是由硅晶體管組成。即使是通過(guò)自動(dòng)駕駛和圖像識(shí)別等應(yīng)用而變得普遍的人工智能的硬件，其內(nèi)部的腦型計(jì)算機(jī)元件也是由硅晶體管組成。它們使我們的生活變得方便而豐富，但由于硅半導(dǎo)體的物理特性（主要原因?yàn)閹叮?，其運(yùn)行溫度目前被限制在200℃或更低。近年來(lái)，越來(lái)越多需要電子器件和電路的應(yīng)用設(shè)備需要在高溫、航空航天和抗放射性等極端條件下運(yùn)行。根據(jù)此種的情況，正在進(jìn)行代替硅晶體管的新存儲(chǔ)器元件和腦型計(jì)算機(jī)元件的開(kāi)發(fā)，其中之一是電阻變化型存儲(chǔ)器元件“記憶電阻器”。盡管對(duì)基于金屬氧化物的憶阻器進(jìn)行了大量的研究，但還未開(kāi)發(fā)出耐高溫的憶阻器。
研究?jī)?nèi)容
由金屬氧化物制成的憶阻器由于材料內(nèi)部存在氧空穴離子而具有導(dǎo)電性。通過(guò)施加電壓氧空穴離子移動(dòng)，發(fā)現(xiàn)了非易失性的電阻。對(duì)于目前為止一直被用于憶阻器體的二氧化鈦、氧化鉭和氧化鉿等材料，通過(guò)施加電壓導(dǎo)電部分呈絲狀連接時(shí)，電阻發(fā)生變化。雖然"絲狀型"的憶阻器具有高電阻率，但由于無(wú)法對(duì)燈絲形成的位置和尺寸的控制，在性能變化和長(zhǎng)期可靠性方面還有待改進(jìn)。
相比之下，此項(xiàng)研究側(cè)重于 "非絲型 "材料，即通過(guò)控制氧空穴離子的分布而不形成絲狀的材料來(lái)引起電阻變化。作為寬禁帶半導(dǎo)體而被熟知的氧化鎵，使用脈沖激光沉積法生長(zhǎng)出數(shù)十nm厚的具有還原性非晶態(tài)薄膜，并在鉑金上部電極和氧化銦錫下部電極之間制作了電容型憶阻器。通過(guò)測(cè)量計(jì)算還原性非晶態(tài)氧化鎵（a-GaOx）憶阻器的C-V特性，得出了輸出電流根據(jù)向上部電極施加正/負(fù)電壓而變化的“反8字形磁滯特性”，具有存儲(chǔ)功能（圖1）。這是一種特性，即帶正電的氧空穴離子在施加負(fù)電壓時(shí)被吸引到上部電極時(shí)處于低電阻狀態(tài)，而在施加正電壓時(shí)從同電極離開(kāi)時(shí)處于高電阻狀態(tài)的特性（參考圖1）。其狀態(tài)平滑遷移，表示這個(gè)憶阻器是氧空穴離子的分布狀態(tài)變化為 “非絲型”。在高溫下的進(jìn)一步測(cè)量顯示，即使在600K（327℃）時(shí)也沒(méi)有絲狀的特性，而且其存儲(chǔ)功能在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。
這些結(jié)果表明， a-GaOx憶阻器與其他金屬氧化物憶阻器相比，具有頂級(jí)的耐熱性。
圖1. 樣品（a）G05、（b）G10和（c）G15在室溫下獲得的I-V曲線(xiàn)。(d) 在PLD期間，根據(jù)PAr切換HRS和LRS的電阻之前測(cè)量的氧化鎵薄膜的電阻率。(e) 與電壓掃過(guò)區(qū)域1-4的情況相對(duì)應(yīng)的記憶體中的氧空位分布示意圖。
研究成果
本次開(kāi)發(fā)的a-GaOx憶阻器作為一種非絲狀的電阻變化存儲(chǔ)元件，即使在300℃以上的溫度下也能表現(xiàn)出穩(wěn)定特性。另外，此次使用的氧化鎵是非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，所以為了選擇襯底，可以將元件結(jié)構(gòu)多層層疊，因此也適合三維集成電路化。期待其在高溫和航空航天耐放射線(xiàn)等的極限環(huán)境下，存儲(chǔ)集成電路和AI硬件使用的腦型計(jì)算機(jī)元件的應(yīng)用。
原文分享
論文文章源自Scientific Reports，聯(lián)盟編譯整理