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第1章 绪论 1

1.1 非易失性存储器发展历程 1

1.2 存储器发展趋势 6

1.2.1 分立电荷存储器 6

1.2.2 铁电存储器 7

1.2.3 磁性存储器 7

1.2.4 相变存储器 8

1.2.5 阻变存储器 9

1.3 阻变存储器发展历程 9

参考文献 11

第2章 阻变材料 14

2.1 无机阻变材料 14

2.1.1 二元氧化物阻变材料 14

2.1.2 复杂氧化物阻变材料 19

2.1.3 固态电解质材料 22

2.2 有机阻变材料 26

2.2.1 小分子功能层材料 27

2.2.2 聚合物功能层材料 29

2.2.3 施主受主复合型功能层材料 31

2.2.4 纳米颗粒混合体功能层材料 33

2.3 纳米阻变材料 37

2.3.1 阻变纳米线 37

2.3.2 其他纳米阻变材料 44

参考文献 49

第3章 阻变存储器器件结构 61

3.1 两端RRAM 61

3.1.1 “三明治”结构 61

3.1.2 crossbar结构 63

3.1.3 via-hole结构 66

3.1.4 原子开关结构 68

3.1.5 平面两端结构 69

3.1.6 侧边接触结构 73

3.2 三端RRAM 74

3.3 四端RRAM 76

参考文献 79

第4章 电阻转变机制 82

4.1 电化学金属化机制 83

4.1.1 电化学金属化理论 83

4.1.2 导电细丝生长和破灭的动态过程 84

4.2 化学价变化机制 91

4.2.1 化学价变化机制引起的界面势垒调制 92

4.2.2 化学价变化机制引起的导电细丝生长和破灭 93

4.2.3 导电细丝生长和破灭的动态过程 96

4.3 热化学机制 97

4.3.1 熔丝与反熔丝模型 98

4.3.2 焦耳热RESET模型 100

4.3.3 焦耳热引起的阈值转变现象 101

4.4 静电／电子机制 102

4.4.1 空间电荷限制模型 102

4.4.2 Frenkel-Poole发射模型 104

4.4.3 SV模型 105

参考文献 108

第5章 阻变存储器物理模型 111

5.1 阻变存储器阻变模型 111

5.1.1 模型的发展状况与分类 111

5.1.2 连续介质模型 113

5.1.3 随机模型 120

5.2 第一性原理计算 127

5.2.1 单个氧空位的计算 128

5.2.2 氧空位的形成能 129

5.2.3 掺杂效应 133

5.2.4 导电细丝的结构预测 135

参考文献 136

第6章 电阻转变统计研究 140

6.1 电阻转变统计的渗流解析模型 140

6.1.1 导电细丝形成和断裂的本质 141

6.1.2 SET/RESET转变的cell几何模型 141

6.1.3 SET/RESET转变动力学模型 143

6.1.4 SET/RESET电压和电流统计实验 145

6.2 转变速度统计解析模型及转变速度-干扰困境的快速预测 151

6.2.1 RRAM中的转变速度-干扰困境问题 151

6.2.2 SET速度的统计与模型 151

6.2.3 恒压模式预测速度-干扰困境的方法 152

6.2.4 电压扫描模式快速预测速度-干扰困境的方法 153

6.2.5 电压扫描模式下的速度-干扰问题设计空间 153

6.3 电阻转变过程中导电细丝演化的统计分析 154

6.3.1 单极性VCM器件的RESET转变的类型与细丝演化过程 155

6.3.2 RESET过程中细丝电导演化的统计分析 156

6.3.3 连续电压扫描RESET转变中的电导演化的统计分析 158

6.3.4 RESET转变参数的分布规律 159

6.3.5 RESET统计的蒙特卡罗模拟 163

6.4 电阻转变中的量子化效应 166

6.4.1 VCM器件电阻转变中的量子化效应 167

6.4.2 ECM器件电阻转变中的量子化效应 171

参考文献 174

第7章 阻变存储器性能改善 179

7.1 材料优化 179

7.1.1 电极材料优化 179

7.1.2 阻变功能层材料优化 183

7.2 RRAM器件的结构优化 191

7.2.1 插层结构 191

7.2.2 增强电极的局部电场 195

7.2.3 器件尺寸微缩 197

7.3 RRAM器件操作方法优化 198

7.3.1 直流电流扫描的优化方式 198

7.3.2 恒定应力预处理的优化方式 201

7.3.3 栅端电压扫描的优化方式 203

7.3.4 脉冲测试的优化 205

参考文献 207

第8章 阻变存储器集成 212

8.1 有源阵列结构 212

8.2 无源阵列结构 222

8.2.1 无源交叉阵列中的串扰现象 222

8.2.2 1D1R结构 224

8.2.3 1S1R结构 231

8.2.4 自整流RRAM结构 234

8.3 无源交叉阵列的读写操作 240

8.3.1 “写”操作 240

8.3.2 “读”操作 241

8.4 三维集成结构 243

8.4.1 堆叠交叉阵列结构 244

8.4.2 垂直交叉阵列结构 245

参考文献 248

第9章 阻变存储器的电路应用 252

9.1 紧凑模型 252

9.1.1 基于金属离子迁移动态机制的紧凑模型 252

9.1.2 基于忆阻器理论的紧凑模型 253

9.1.3 考虑正态分布偏差的RRAM紧凑模型 255

9.2 RRAM在FPGA领域中的应用 257

9.2.1 FPGA技术简介 257

9.2.2 传统FPGA器件的结构 258

9.2.3 基于RRAM的FPGA技术 260

9.3 CMOL电路技术 265

9.3.1 CMOL电路介绍 265

9.3.2 CMOL电路结构 265

9.3.3 CMOL FPGA结构 267

9.3.4 CMOL电路的逻辑功能 268

9.4 忆阻器在神经元网络中的应用 270

9.4.1 忆阻器介绍 270

9.4.2 忆阻器的模型与机理 271

9.4.3 忆阻器在神经元网络中的应用 273

参考文献 276

索引 280