前途可期的电阻记忆体

■ 文/杨玉玺 袁国亮 刘俊明

海量信息的存储，单纯地依靠现有的存储技术已经显得有些力不从心。电阻记忆体或许是目前最具有研究前景的第三代半导体存储器件之一。

随着信息技术不断发展，近年来，海量数据成为最具价值的财富。在信息传播极其迅速的今天，各种数据渗透着我们的生活。它们以指数级的速度增长，形成数据爆炸，将我们带入大数据时代。最早提出“大数据”时代到来的，是全球知名咨询公司麦肯锡(McKinsey & Company)。麦肯锡称：“数据，已经渗透到当今每一个行业和业务职能领域，成为重要的生产因素。人们对海量数据的挖掘和运用，预示着新一波生产率增长和消费者盈余浪潮的到来。”

那么，大数据到底有多大？早在2012年，MBAonline网站曾发布一组名为“互联网上一天”的数据，一天之中，互联网产生的全部内容可以刻满1.68亿张DVD；发出的邮件有2940亿封之多，相当于美国两年的纸质信件数量；发出的社区帖子达200万个，相当于《时代》杂志770年的文字量；卖出的手机为37.8万部……到2012年为止，人类生产的所有印刷材料的数据量为200PB，全人类历史上说过的所有话的数据量大约是5EB。IBM公司的研究称，到2020年，全世界所产生的数据规模将达到当时的44倍。

大数据所需的大容量，对信息存储带来了更大的挑战。海量信息的存储，单纯地依靠现有的存储技术已经显得有些力不从心。传统的存储方式如光盘、磁盘、磁带等，大部分已经不再是主流。

主流存储器件

说到硬盘，想必大家都不会陌生。硬盘主要分为固态硬盘（SSD）、机械硬盘（HDD）、混合硬盘（HHD）。

●机械硬盘

机械硬盘是计算机目前所采用的主流存储方式。它在1956年由IBM公司制造，当时的存储容量只有5MB，体积却相当于两个冰箱的大小。经过结构和技术的不断发展，我们目前已经可以轻易地买到10TB容量的单盘。机械硬盘中所有的盘片都装在一个旋转轴上，盘片之间是平行的，在每个盘片的存储面上有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小，所有的磁头连在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。

机械硬盘之所以能够得到应用并发展至今，与其自身的优势是不可分割的。与市面上其他的存储介质，如U盘和固态硬盘等相比，机械硬盘容量大、价格低、技术成熟、存储时间长、容错性好。但是，与后续兴起的存储技术相比，机械硬盘也有不可忽视的自身缺陷。它的读写速度相对较慢、越到介质的边缘读写速度越慢、安全性不高（碰撞后易损坏），这也是为什么带有机械硬盘的电脑通常不建议通电搬动的原因。

●固态硬盘

除了机械硬盘之外，固态硬盘在近些年也逐渐成为市场上的另一种主流的大容量存储介质。它与我们日常使用的U盘一样，都是基于浮栅结构的Flash存储器。2006年3月，三星公司首次发布一款32GB容量的固态硬盘笔记本电脑。浮栅结构的存储器件从出现发展至今，在结构上基本没有太大的变化，其最明显的变化在于随着半导体工业的发展，器件的尺寸越来越小。目前，Flash存储器件的尺寸可以缩小至16纳米以下。然而，尺寸减小也带来了一系列的问题，如相邻单元间存在干扰、发热量大引起器件损坏等。为了追求单位面积上更大的存储容量，目前3D NAND（多层存储）技术得到了大力的发展，其最大的特点在于多层存储。2018年，三星公司首次宣布96层NAND闪存进入量产阶段。

固态硬盘相对于传统机械硬盘的优点在于：读写速度快、防震抗摔性强、低功耗、无噪声、工作温度范围大、体积小、携带轻便。然而，它也存在容量比机械硬盘小、寿命比机械硬盘短、制造成本高、长期断电会导致数据丢失且数据恢复可能性较低等缺点。

电阻记忆体的交叉开关矩阵（cross-bar）结构

●混合硬盘

混合硬盘是基于传统机械硬盘诞生出来的新硬盘，除了机械硬盘必备的碟片、电机、磁头等，还内置了NAND闪存颗粒，这些颗粒将用户经常访问的数据进行储存，可以达到如固态硬盘效果的读取性能。其中，磁盘仍是最为重要的存储介质，闪存仅起到缓冲作用，将更多的常用文件保存到闪存内从而减小寻道时间，提升效率。

固态硬盘读写速度够快，但容量小、价格贵；机械硬盘虽然读写速度一般，但容量大，够便宜。混合硬盘的出现意在平衡价格、容量及性能三者的尖锐关系。混合硬盘集传统硬盘和固态硬盘之所长：读写速度快、容量大、预算合理。混合硬盘技术的出现为用户获得更高设备性能、更丰富的应用提供了一种新的方式，并且是以合理的价格实现它。

第三代半导体存储器件

随着传统的存储方式面临越来越多的挑战，除了继续提高存储器件的工艺制造水平，也需要大力发展新型存储技术。电阻记忆体是目前最具有研究前景的第三代半导体存储器件之一。作为一项新兴的存储技术，2000年美国休斯敦大学的一个研究小组报道了电阻记忆特性之后，电阻记忆体才开始正式被人们广泛关注，科研界和工业界开始投入大量的人力、物力来研究其特性，并进行了一系列的专利布局。

电阻记忆体，以上电极、电阻转变层、下电极这种三明治结构组成的存储单元为核心，再加上读写控制、编译码集成电路等部分,相比其他存储器件结构更加简单,简单的工艺结构也为其后续的发展提供了保证。工作原理上，电阻记忆体是通过写入电压的不同，来实现材料在高电阻状态和低电阻状态之间的可逆切换，从而实现信息的存储。由于电阻记忆体的电阻变化过程中，外加的激励只影响薄膜材料中的电子结构或者很小区域内的原子结构排列，因此，理论上讲，电阻记忆体具有十分优越的可缩小性。除此之外，与传统浮栅结构的Flash存储器相比，电阻记忆体在器件结构、速度、三维集成潜力等方面都具有明显的优势，如果得到应用，计算机的运算速度、功耗以及存储容量都将得到大幅度的提升。

电阻记忆体的应用方向

国际半导体技术路线(ITRS)认为，阻变式存储器（RRAM）是应当受到重点关注并加速实现产业化的新型存储器之一。同时，电阻记忆体元件在实际的工业化进程中也取得了很大的发展。2014年，全球最大的半导体储存及影像产品制造商美光公司公布了基于互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的27纳米、单颗容量为16GB的存储器件原型，但目前距离量产还有很大的距离。2015年，美国Crossbar公司宣布其电阻记忆体开始进入商业化阶段，加速进行容量更大的存储器件的研究。2016年，我国规模最大的集成电路晶圆代工企业之一的中芯国际与Crossbar公司达成了关于RRAM的战略合作协议，两家企业帮助客户将低延时、高性能、低功耗嵌入式RRAM存储器组件整合入微控制单元（MCU）、系统级芯片（SoC）等器件，以满足物联网、可穿戴设备、平板电脑、消费电子、工业及汽车电子市场的需求。

随着物联网的发展，电子器件除了维持原有的功能之外，也逐渐朝着微型化和柔性化的方向发展，因此，柔性的电阻记忆体在近些年也得到了广泛的研究。既然是柔性电阻记忆体，毫无疑问，电子功能材料的柔性化成为很重要的一环。可以用来实现电阻记忆体良好性能的功能材料有很多，例如，二元金属氧化物、钙钛矿结构（ABO3）金属氧化物、卤素钙钛矿、导电聚合物，等等。考虑到柔性电阻记忆体的综合性能，材料既要导电、又要绝缘，这两种状态的高温稳定性要求较高，并且材料也需要具有良好的抗机械弯曲性能，因此，二元或者钙钛矿结构的金属氧化物在工业应用中更具有前景。

钛酸钡(BaTiO3)等钙钛矿结构氧化物材料具有优异的压电、介电和多铁性能，是一种工业界广泛应用的工业材料。研究人员在硅或者钛酸锶（SrTiO3）硬质基片的基础上制备了掺钴钛酸钡（BaTi0.95Co0.05O3,BTCO）薄膜并证实了它们具有优越的阻变性能。为了获得柔性弯曲的氧化物电阻记忆体，2017年，科研人员制备了云母（Mica）/钌酸锶（SrRuO3）/掺钴钛酸钡/金结构电阻记忆体单元。实验表明，制备的样品具有优越的综合阻变性质：信息读写次数超过36万次、能够在室温至180℃的环境下正常工作、经过500℃退火后器件能够恢复如初，等等。更重要的是，该记忆体具有优越的抗弯曲性能和半透明的特征，在1.4毫米弯曲半径下样品能够保持与原始平整样品一致的阻变性质，在3毫米半径下弯曲1万次之后样品毫发无损，存储没有明显变化。

此外，石墨烯、硫化钼等二维材料具有柔性弯曲、透明的特性和合适的能带结构，成为当前科学研究的大热点。那么，钛酸钡、锆钛酸铅（PbZr1-xTixO3）等目前已经在工业中广泛应用的氧化物功能材料是否可以具有二维材料的部分特征呢？当前我们已经可以通过分子束外延、原子层沉积等技术在硬质基片上制备比氧化石墨烯更薄的几纳米厚度的氧化物薄膜。在生长这些氧化物超薄膜之后，如果能够大面积、经济实惠地减薄/剥离基片，就有可能让普通的氧化物薄膜也具有二维材料柔性弯曲、透明等属性。虽然目前关于柔性电阻记忆体器件的工作只是刚刚起步，但可以预期很快会有更多、更好的柔性弯曲、透明的氧化物薄膜研究工作出现。

也正因为如此，现在我们知道柔性电子材料或者光电子材料下一步要干什么了。