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美国莱斯大学(Rice University)教授James Tour及其研究团队日前结合新颖的内存架构、室温处理以及高密度电阻材料堆栈，制作出一种三维(3D)堆栈的非挥发性电阻式随机存取内存(RRAM)，可在速度与每交错位(bits-per-crossbar)方面超越竞争设计。
这种RRAM的关键在于采用了一种具有每位内建肖特基(Schottky)触点的材料堆栈，从而取代了目前大部份高效率设计所需的二极管；James Tour并宣称这种材料支持超低漏电流(潜行电流)，因而可实现高达162Gigabit (20GB)的交错数组。
从莱斯大学开发基于氧化钽的内存切片中，清楚地显示了材料中的部份互连以及随机分布的内部孔隙。感兴趣的同学可以自行爬梯子去看视频：https://www.youtube.com/watch?v=rwCJQPOluF8
“我们所开发的超高密度非挥发性电阻式内存使用了一种可在室温下制造的3D材料，”Tour表示：“每个组件都表现出优异的无选择器(selector-less)内存开关比——在3.6V时高于10。”
Tour主导的莱斯大学团队多年来一直致力于RRAM的研究，先前的研究成果已经授权制造了。根据Tour表示，上一代的RRAM设计利用氧化硅作为主动材料，已经授权给台拉维夫(Tel Aviv)业者Weebit Nano Ltd.。
氧化钽的层迭结构、多层的石墨烯与铂共同实现新型RRAM
Source：Rice University
“以色列的Weebit授权了我们先前的电阻式内存研究成果，在该内存中的许多原则也套用在我们最新的设计中，”Tour表示。
目前的材料堆栈中有许多都来自原始设计的进一步改善。例如双端电阻材料夹层于金属交错之间，形成决定内存数组的密度；相较于通过相邻内存单元的漏电流 (潜行电流)造成无法解决的串扰，现有的材料在内存的数组密度方面受限于“导通”电阻与“关闭”电阻之间的比值——10：1。
在处理x与y交错线之间的双端位单元时，Tour目前所使用的材料堆栈具有较少的“潜行电流”串扰，从而可在单一交错中实现高达162Gbits (20GB)的内存。
位单元的电子显微镜影像(上图矩形区域)显示氧化钽的层迭结构、多层石墨烯与铂，可克服导致其他设计中导致读取错误的串扰问题。
Source：James Tour研究团队；Rice University
这 种材料从底部的金属触点(该研究采用铂，但任何金属均可)开始，在标准硅晶圆上的氧化硅绝缘层上进行堆栈。在金属触点顶部的是纯钽以及纯钽上的氧化钽纳米 多孔层。石墨烯的10个原子层(多层石墨烯或图中的MLG)先封顶氧化钽，接着是顶层金属电极(图中的铂或任何金属)。
该内存单元的切换由零开始，而非直接连接不同的交错电极。然而，当编程电压施加在两垂直交错时，导致氧向上迁移，使所有的钽丝跨越多孔氧化钽朝上部电极成形。当达到石墨烯阻障层时，电流较一开始更高10倍，从而在位单元中产生“1”。
莱斯大学开发基于氧化钽的内存，透过结构图可发现部份互连与随机分布的内部孔隙。为了重新以零进行编程，从钽丝敲开几个钽原子传送高电压讯号，即可消除单元。也可以稍后重新施加低编程电压与重新连接钽丝。
据Tour表示，这一过程十分迅速，而且可以无限期地重复，但最重要的是能够比最接近的竞争设计消耗更低100倍的能量。该研究结果已发表于美国化学学会期刊《纳米通讯》(Nano Letters)中。
在该报告中并解释许多有关如何控制电压以便在奥姆与萧特基行为之间切换、氧空如何迁移、钽/氧化钽以及氧化钽/石墨烯的比较、以及带负电荷的氧离子如何制作二极管状的阻障以消除串扰等细节。
不过，该研究成果的商用化还面临两大障碍——研究人员还必须找到一种可控制纳米孔隙尺寸的方式，以及制造足够密集的交错结构，从而证明寻址超密集个别位的概念。
编译：Susan Hong
本文授权编译自EE Times，版权所有，谢绝转载
