里的第四種被動(dòng)電路——憶阻器(memristors),已經(jīng)通過對(duì)一種能生成該新記憶器件的基質(zhì)材料的處理向其理論原型更進(jìn)了一步。
今年四月份,惠普實(shí)驗(yàn)室(Hewlett Packard Laboratories)的研究人員聲稱已經(jīng)“發(fā)現(xiàn)”了由加州大學(xué)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(dòng)電路——憶阻器。
現(xiàn)在,惠普實(shí)驗(yàn)室(總部位于加州Palo Alto)表示他們已經(jīng)展示了如何根據(jù)“阻值隨流經(jīng)的電流改變”的原理來控制這種憶阻器材料。實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)人員許諾將在明年加快RRAM(阻抗性隨機(jī)存取記憶體)商業(yè)成型芯片的開發(fā)進(jìn)度。
惠普實(shí)驗(yàn)室的憶阻器主要研究人員Duncan Stewart 表示:“我們已經(jīng)通過試驗(yàn)證明了我們的憶阻器表現(xiàn)得和理論預(yù)測(cè)的一致,另外我們已經(jīng)能演示對(duì)憶阻器器件結(jié)構(gòu)的工程控制,這意味著我們將很快就能構(gòu)建出實(shí)際芯片。”
原子力顯微鏡下的一個(gè)有17個(gè)憶阻器排列成一排簡(jiǎn)單電路的圖像。每個(gè)憶阻器有一個(gè)底部的導(dǎo)線與器件的一邊接觸,一個(gè)頂部的導(dǎo)線與另一邊接觸。這些導(dǎo)線有50nm寬。(圖片由J. J. Yang, HP Labs許可。)
惠普實(shí)驗(yàn)室的憶阻器是一個(gè)由兩個(gè)金屬電極夾著的氧化鈦層構(gòu)成的雙端,雙層交叉開關(guān)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。其中一層氧化鈦摻雜了氧空位,成為一個(gè)半導(dǎo)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(cè)交叉開關(guān)兩端電極的阻性,就能判斷RRAM的“開”或者“關(guān)”狀態(tài)。
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(guān)處在“關(guān)”的狀態(tài)。通過在交叉開關(guān)結(jié)點(diǎn)處施加偏置電壓,氧空位將從摻雜了氧空位的氧化鈦層轉(zhuǎn)移到無摻雜的一層,即開始了傳導(dǎo)過程,并最終打“開”了記憶體的開關(guān)。同樣地,通過改變電流方向氧空位將從無摻雜的一層轉(zhuǎn)移回?fù)诫s層,并最終把記憶體開關(guān)“關(guān)”上。
憶阻體的主要優(yōu)勢(shì)在于它的阻抗變化是非易失性的,直至對(duì)它施加了一個(gè)相反方向的電壓,使氧空位動(dòng)回?fù)诫s層。目前開關(guān)速度可以達(dá)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(xiàn)出阻抗變化的材料有相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間,但對(duì)于其工作原理的解釋各式各樣,我們的實(shí)證建立在穩(wěn)定的機(jī)理上,其關(guān)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(duì)該材料進(jìn)行工程上的控制。惠普的研究人員同樣需要通過細(xì)致的測(cè)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(xiàn)在則聲明在氧化層和金屬電極層的接觸面發(fā)生的納米級(jí)變化,而不是金屬的體積特性變化,最終使憶阻器的阻抗發(fā)生了變化。
Stewart說:“我們現(xiàn)在已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)確定氧空位改變了金屬-氧化層接觸面的電子勢(shì)壘。”
研究人員同時(shí)還聲稱憶阻器是通過削薄肖特基勢(shì)壘——即金屬和半導(dǎo)體接觸面的電子勢(shì)壘,而不是通過改變氧化鈦的體積特性來起作用的。
惠普實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一個(gè)可以演示憶阻器層與層之間接觸面的細(xì)節(jié)特性的解決方案:將該試驗(yàn)器件橫向布局在芯片上,而非縱向布局。惠普實(shí)驗(yàn)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(gòu)成一個(gè)橫向器件,而不是縱向器件,以這種方式我們現(xiàn)在能夠?qū)蓚€(gè)接口分別獨(dú)立地測(cè)試,并驗(yàn)證每一個(gè)接口對(duì)憶阻器產(chǎn)生的影響。”
惠普實(shí)驗(yàn)室制造了幾種不同結(jié)構(gòu)的橫向器件以全面體現(xiàn)憶阻器的特性。橫向器件同樣也能測(cè)量不同次序下每一層的電氣特性,并最終建立構(gòu)建基于憶阻器的CMOS半導(dǎo)體的知識(shí)基礎(chǔ)。“現(xiàn)在我們知道如何根據(jù)我們所需的特性來構(gòu)造我們的新器件。”Yang說,“例如我們想用正極性電壓“關(guān)閉”憶阻器,我們就會(huì)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(gè)層反轉(zhuǎn)設(shè)置就可以了。”
惠普實(shí)驗(yàn)室目前正在努力制造第一個(gè)原型芯片以演示該電路的功能,預(yù)計(jì)這項(xiàng)計(jì)劃將在明年完成。“利用工程控制我們現(xiàn)在可以構(gòu)建一個(gè)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(gòu)建更大規(guī)模的集成電路。”
RRAM的設(shè)計(jì)將采用惠普實(shí)驗(yàn)室的原型芯片的交叉開關(guān)結(jié)構(gòu)。單獨(dú)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(gè)交叉開關(guān)。工程師計(jì)劃用兩層二氧化鈦?zhàn)鳛榻饘倬€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(dòng):一個(gè)在頂部,一個(gè)則在底部,器件可以進(jìn)行獨(dú)立的位單元尋址,可以通過改變它們的阻抗最終關(guān)閉或打開位單元。
Stewart說:“我們正在搭建實(shí)際的集成電路以實(shí)現(xiàn)我們?cè)诜且资噪S機(jī)存儲(chǔ)器市場(chǎng)上的短期目標(biāo),這個(gè)市場(chǎng)有很大潛力。”
惠普實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃在2009年推出基于憶阻器交叉開關(guān)陣列的RRAM原型芯片。
屆時(shí)除了采用相似的交叉開關(guān)結(jié)構(gòu),還將利用到模擬電路中阻抗的精確變化。惠普實(shí)驗(yàn)室聲稱大規(guī)模憶阻器陣列的每個(gè)交叉開關(guān)的可調(diào)阻抗能像大腦一樣進(jìn)行學(xué)習(xí)。人體大腦里的突觸在無論什么時(shí)候有電流流經(jīng)都可以得到增強(qiáng),相似地憶阻器的阻抗也會(huì)被流經(jīng)的電流減小。通過允許電流在任意方向的流動(dòng),這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)適應(yīng)不同的需要。
Stewart 說“RRAM是我們的近期目標(biāo),但從長(zhǎng)期來說,我們對(duì)憶阻器的第二目標(biāo)是通過建立能學(xué)習(xí)的自適應(yīng)控制電路來轉(zhuǎn)換計(jì)算,而采用突觸的模擬電路至少還需要五年或者更多時(shí)間來研究。”
他們估計(jì)還需要五年時(shí)間才能生產(chǎn)出第一個(gè)模擬憶阻器原型芯片,商業(yè)應(yīng)用還要差不多十年之久。
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