里的第四種被動電路——憶阻器(memristors),已經通過對一種能生成該新記憶器件的基質材料的處理向其理論原型更進了一步。

今年四月份,惠普實驗室(Hewlett Packard Laboratories)的研究人員聲稱已經“發現”了由加州大學伯克利分校教授Leon Chua在1971年一篇論文里提及的除電阻,電容和電感以外的第四種被動電路——憶阻器。

現在,惠普實驗室(總部位于加州Palo Alto)表示他們已經展示了如何根據“阻值隨流經的電流改變”的原理來控制這種憶阻器材料。實驗室的高級人員許諾將在明年加快RRAM(阻抗性隨機存取記憶體)商業成型芯片的開發進度。

惠普實驗室的憶阻器主要研究人員Duncan Stewart 表示:“我們已經通過試驗證明了我們的憶阻器表現得和理論預測的一致,另外我們已經能演示對憶阻器器件結構的工程控制,這意味著我們將很快就能構建出實際芯片。”

原子力顯微鏡下的一個有17個憶阻器排列成一排簡單電路的圖像。每個憶阻器有一個底部的導線與器件的一邊接觸,一個頂部的導線與另一邊接觸。這些導線有50nm寬。(圖片由J. J. Yang, HP Labs許可。)

惠普實驗室的憶阻器是一個由兩個金屬電極夾著的氧化鈦層構成的雙端,雙層交叉開關結構的半導體。其中一層氧化鈦摻雜了氧空位,成為一個半導體；相鄰的一層不摻雜任何東西,讓其保持絕緣體的自然屬性。通過檢測交叉開關兩端電極的阻性,就能判斷RRAM的“開”或者“關”狀態。

如果是在保持絕緣體自然屬性的氧化鈦層的一端,該記憶體開關處在“關”的狀態。通過在交叉開關結點處施加偏置電壓,氧空位將從摻雜了氧空位的氧化鈦層轉移到無摻雜的一層,即開始了傳導過程,并最終打“開”了記憶體的開關。同樣地,通過改變電流方向氧空位將從無摻雜的一層轉移回摻雜層,并最終把記憶體開關“關”上。

憶阻體的主要優勢在于它的阻抗變化是非易失性的,直至對它施加了一個相反方向的電壓,使氧空位動回摻雜層。目前開關速度可以達到大約每納秒50次。

Stewart說,“人們研究像我們的憶阻體那樣能表現出阻抗變化的材料有相當長一段時間,但對于其工作原理的解釋各式各樣,我們的實證建立在穩定的機理上,其關鍵就在:氧空位改變了氧化金屬的接觸面的特性。

不過即使知道氧空位將改變氧化鈦的阻抗仍然不足以對該材料進行工程上的控制。惠普的研究人員同樣需要通過細致的測量確定材料的特性。他們一開始假定氧空位改變了氧化金屬材料的體積屬性。但惠普現在則聲明在氧化層和金屬電極層的接觸面發生的納米級變化,而不是金屬的體積特性變化,最終使憶阻器的阻抗發生了變化。

Stewart說:“我們現在已經通過實驗確定氧空位改變了金屬-氧化層接觸面的電子勢壘。”

研究人員同時還聲稱憶阻器是通過削薄肖特基勢壘——即金屬和半導體接觸面的電子勢壘,而不是通過改變氧化鈦的體積特性來起作用的。

惠普實驗室設計了一個可以演示憶阻器層與層之間接觸面的細節特性的解決方案:將該試驗器件橫向布局在芯片上,而非縱向布局。惠普實驗室的研究員Jianhua (Josh) Yang說“我們采用了單晶體氧化鈦來使憶阻器構成一個橫向器件,而不是縱向器件,以這種方式我們現在能夠對兩個接口分別獨立地測試,并驗證每一個接口對憶阻器產生的影響。”

惠普實驗室制造了幾種不同結構的橫向器件以全面體現憶阻器的特性。橫向器件同樣也能測量不同次序下每一層的電氣特性,并最終建立構建基于憶阻器的CMOS半導體的知識基礎。“現在我們知道如何根據我們所需的特性來構造我們的新器件。”Yang說,“例如我們想用正極性電壓“關閉”憶阻器,我們就會讓氧空位置于首層氧化鈦。如果你想用正極性電壓“打開”憶阻器,你只需要將這兩個層反轉設置就可以了。”

惠普實驗室目前正在努力制造第一個原型芯片以演示該電路的功能,預計這項計劃將在明年完成。“利用工程控制我們現在可以構建一個能提供具體電氣性能的器件,”Yang說。“也只有采用工程控制才能構建更大規模的集成電路。”

RRAM的設計將采用惠普實驗室的原型芯片的交叉開關結構。單獨使用間距少于50nm的金屬線作底部電極,與垂直于該底部電極的金屬線形成一個交叉開關。工程師計劃用兩層二氧化鈦作為金屬線間隙的夾心層,其中一層摻雜了氧空位而另一層不摻雜任何東西。電流在兩根金屬線之間流動:一個在頂部,一個則在底部,器件可以進行獨立的位單元尋址,可以通過改變它們的阻抗最終關閉或打開位單元。

Stewart說:“我們正在搭建實際的集成電路以實現我們在非易失性隨機存儲器市場上的短期目標,這個市場有很大潛力。”

惠普實驗室計劃在2009年推出基于憶阻器交叉開關陣列的RRAM原型芯片。

屆時除了采用相似的交叉開關結構,還將利用到模擬電路中阻抗的精確變化。惠普實驗室聲稱大規模憶阻器陣列的每個交叉開關的可調阻抗能像大腦一樣進行學習。人體大腦里的突觸在無論什么時候有電流流經都可以得到增強,相似地憶阻器的阻抗也會被流經的電流減小。通過允許電流在任意方向的流動,這種神經網絡可以學習適應不同的需要。

Stewart 說“RRAM是我們的近期目標,但從長期來說,我們對憶阻器的第二目標是通過建立能學習的自適應控制電路來轉換計算,而采用突觸的模擬電路至少還需要五年或者更多時間來研究。”

他們估計還需要五年時間才能生產出第一個模擬憶阻器原型芯片,商業應用還要差不多十年之久。

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