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俄科學家採用新方法製備薄膜:促進非易失性阻變式存儲器的研發!

俄科學家採用新方法製備薄膜:促進非易失性阻變式存儲器的研發!

導讀

非易失性阻變式存儲器,作為一項新興的存儲科技,它結合了非易失性和速度快特點。最近,俄羅斯莫斯科物理技術學院的科研人員開發出一種新方案,能控制由原子層沉積(ALD)技術製備的鉭氧化物薄膜中的氧含量,這種薄膜有望成為非易失性阻變式存儲器的基礎。

關鍵字

存儲器、存儲技術、ReRAM

背景

在現代計算機技術中,存儲設備與存儲技術一直處於非常重要的地位,常見的存儲設備有ROM、RAM、SSD、Flash、U盤等等。RAM可隨時讀寫,且速度很快,但是電源關閉后,數據無法保存,所以具有「易失性」。而Flash在電源關閉后,也能夠長久地保持數據,因此具有「非易失性」,可是它的速度比RAM慢。

因此,許多科研團隊與科技公司都在研發新型計算機存儲器,主要目標就是將RAM速度優勢和Flash的非易失性優勢相結合。然而,非易失性阻變式存儲器,也稱為ReRAM,或者RRAM,被視為一項非常有前途的新興技術,引起了業界的廣泛注意,它能夠完美地結合RAM和Flash的優勢。

ReRAM的工作原理如下:

根據施加在金屬氧化物材料上的電壓不同,材料的電阻會在高阻態和低阻態之間發生相應變化,開啟或阻斷電流通道,允許或者拒絕電子流過,兩種狀態分別代表二進位數「0」或者「1」,從而達到儲存信息的目的。

創新

最近,俄羅斯莫斯科物理技術學院(MIPT)的科研人員探索出一種新方案,能夠控制由原子層沉積(ALD)技術製備的鉭氧化物薄膜中的氧含量。這種薄膜可能成為新型非易失性阻變式存儲器(ReRAM )的基礎。

(圖片來源:MIPT)

相關論文發表於《ACS Applied Materials & Interfaces》雜誌,影響因子為7.14。

技術

ReRAM 存儲單元,可以通過一種金屬-電介質-金屬的結構來實現,而過渡族金屬例如鉿和鉭的氧化物,可作為這種分層結構中的電介質組件來使用。對基於這些材料的存儲單元施加一個電壓,會引起氧的遷移,改變其電阻。所以,氧化物薄膜中的氧含量分佈,成為決定存儲單元功能特性的一項至關重要的參數。

儘管ReRAM 的研發取得了顯著進展,可是Flash存儲器仍然在市場和應用中佔據著主要地位,原因就是Flash存儲器可進行三維存儲單元堆疊,這極大提高了其存儲密度。可是,一般用於ReRAM的貧氧薄膜沉積技術,無法應用於三維架構。

為了尋求一項替代的技術,MIPT的科研人員想到了原子層沉積技術,它是一種化學工藝,用於在材料的表面製備薄膜。過去幾十年來,ALD技術得到了廣泛應用,例如在納米電子、光學和生物電子領域。

ALD技術主要有兩個優勢:

  • 第一,就是對於薄膜厚度的控制是史無前例的:它能夠沉積薄膜達幾納米的厚度,而誤差控制在幾分之一納米。

  • 第二,就是ALD技術能對於三維結構進行保形塗覆,而現有的納米薄膜沉積技術對於這種三維結構往往是有問題的。

在ALD工藝中,基質接連暴露於兩種化學物質,分別是前驅體和反應物。這兩種物質之間會發生化學反應,從而創造出塗層。除了塗層中使用到的元素,前驅體還包含其他成分,例如碳和氯,也稱為配體。它們促進了反應,然而在理想的ALD工藝中,一旦其與另外一種化學物質(反應物)發生了相互作用,就必須完全從生成的薄膜中移除。在原子層沉積技術中,選擇使用正確的物質十分關鍵。雖然在ALD技術中,對於氧含量可變的氧化物薄膜進行沉積是十分困難的,但它對於ReRAM技術來說是必需的。

(圖片來源:MIPT)

MIPT物理學和數學博士Andrey Markeev 說:

「沉積貧氧薄膜過程中最難的部分,就是尋找正確的反應物,既能消除金屬前驅體中含有的配體,又可以控制生成的塗層中的氧含量。為了達到這個目標,我們使用了本身含氧的鉭前驅體,以及一種以等離子體活化氫形式存在的反應物。」

證實實驗結果本身就是一項挑戰。在ALD工藝中,真空腔用於存放實驗樣本,而一旦實驗室樣本從真空腔中移除,暴露於大氣層,將會引起電介質頂層的變化,利用分析技術例如電子能譜學,瞄準樣品表面,就會檢測到缺氧。

實驗設備

(圖片來源:MIPT)

MIPT的研究所 Konstantin Egorov 認為:

「在這項研究中,我們不僅需要獲取具有不同含氧量的薄膜,而且也要利用實驗進行證實。為此,我們團隊通過獨特的實驗方法,讓我們無需破壞真空,就可以生長薄膜並研究它們。」

參考資料

【1】https://mipt.ru/english/news/new_prospects_for_universal_memory

【2】http://dx.doi.org/10.1021/acsami.7b00778

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