中科院物理所等在阻變存儲器研究中取得進展

阻變存儲器是利用薄膜材料在電激勵條件下薄膜電阻在不同電阻狀態（高阻態和低阻態）之間的互相轉換來實現數據存儲的，具有單元尺寸小、讀寫速度快、功耗低、製備工藝和器件結構簡單等優點。理解高低組態相互轉化的微觀機制對於設計和優化阻變存儲器是至關重要的。目前，對於導電橋類型的阻變存儲器的阻態翻轉機理，如導電絲的形貌、導電絲的動態演變過程和化學組分等已經被廣泛研究。而對於氧空位類型的阻變存儲器的阻態翻轉機制，目前研究相對匱乏。因此，對於導電通道的建立和氧空位形成之間的關係，導電通道在哪裡形成、導電通道在何處斷裂等基本問題還存在爭議。因此，亟需一種直觀的方法表徵阻變存儲器的阻態翻轉過程、驗證和甄別其物理機制，為提高器件的存儲性能提供可靠的依據。

最近，科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）先進材料與結構分析實驗室「現代分析電子顯微學及其在材料科學中的應用」研究小組的博士生李超、副研究員姚湲、研究員禹日成，與北京大學博士高濱、教授康晉鋒和中科院物理所微加工實驗室研究員李俊傑、顧長志等合作，將電子全息技術、能量過濾像技術和原位技術相結合，在透射電子顯微鏡中實時觀察了HfO2基阻變存儲器中的阻態翻轉過程。結果表明，在Forming過程中，電子逐漸從負極遷移，穿過整個HfOxxxx層的上界面。同時，原位的能量過濾像結果表明，氧空位在絕緣的HfOx層逐漸產生，並形成通道連接兩個電極。這一結果闡明了阻變存儲器的電學性能與氧空位的微觀分佈之間的關係，對於理解阻變機制提供了直觀的證據。該研究工作發表在《

相關研究得到了科技部（2016YFA0300701）、國家自然科學基金委（10974235）和中科院的支持。

圖1 Forming過程的相點陣圖。在偏壓的作用下，負電荷從底電極積累，並逐漸遂穿過AlOyxx上界面。

圖2 Reset過程的相點陣圖。在負偏壓的作用下，負電荷逐步從頂電極退回去，當負偏壓為-6.5V時，電阻從低阻態回到高阻態，此時導電通道從頂電極斷開。

圖3 阻變存儲器在不同偏壓下的低能能量過濾像，從中可以觀測氧濃度的變化。氧空位首先出現在頂電極和底電極的位置，隨著偏壓的增大，逐步形成氧空位通道，這與電子全息的結果是一致的。

圖4 HfO2基阻變存儲器的阻態翻轉示意圖。第一列為動態過程示意圖，第二列為模擬結果，第三列為實驗的相點陣圖。

原文：Direct Observations of Nanofilament Evolution in Switching Processes in HfO2-Based Resistive Random Access Memory by In Situ TEM Studies