[发明专利]用于切换忆阻器件的方法和电路

说明书

背景技术

忆阻器件或忆阻器是一种具有可电切换的器件电阻的新型可切换器件。忆阻器件从科学角度和技术角度都是令人关注的，并且有望用于非易失性存储器（NVM）领域和其它领域。对NVM应用来说，与成熟的CMOS技术的相容性要求忆阻器件在二进制或其它数字模式下工作。利用忆阻器件的电阻值，来定义二进制或其它多电平数字状态。可靠并反复地将忆阻器件切换至期望状态已成为重大挑战。屡次观察到，施加电压写脉冲经常产生器件电阻的大的波动，波动呈对数正态分布。器件参数的这种对数正态分布的宽范围是忆阻器件的可用性、可靠性和长久性的潜在阻碍。

附图说明

图1是忆阻器件的示例的示意剖面图；

图2是忆阻器件的切换I-V曲线的示例；

图3是示出在闭环反馈控制下将忆阻器件切换至期望电阻值的过程的流程图；

图4是用于将忆阻器件从高阻态切换至低阻态的闭环开关电路的示意电路图；

图5是示出图4的开关电路的被切换忆阻器件和选择组件的电压波形的示意图；

图6是示出忆阻器件向两个不同电阻值的连续切换操作的电压波形的示意图；

图7是用于在浮置配置下对忆阻器件进行双极切换的闭环开关电路的示意电路图；以及

图8是用于在接地配置下对忆阻器件进行双极切换的闭环开关电路的示意电路图。

具体实施方式

下面的描述提供一种用于切换双极忆阻器件的方法和用于这种切换的相关控制电路。本发明中使用的忆阻器件是一种开关器件，开关器件的电阻表示开关器件的开关状态，并且电阻取决于向器件施加的电压和电流的历史记录。术语“双极”是指可以通过施加一个极性的开关电压将器件从低阻态（LRS）切换至高阻态（HRS），以及可以通过施加相反极性的开关电压将器件从高阻态切换至低阻态。

图1以示意图的形式示出双极忆阻器件100的示例。在图1所示的实施例中，忆阻器件是具有上电极120和下电极110的双端器件。在这两个电极之间布置有源区122，其中在有源区122发生切换行为。开关器件100的有源区122包括开关材料以及弱离子导体，开关材料可以是半导电的或者名义绝缘的。开关材料包含掺杂剂，掺杂剂在足够强的电场下可以被驱使漂移经过开关材料，这导致忆阻器件的电阻变化。忆阻器件100可以用作例如用于存储数字信息的非易失性存储单元。这样的存储单元可以合并成交叉结构，以提供大储存容量。

可以利用许多不同的具有各自适合的掺杂剂的材料，来作为开关材料。具有适合的开关属性的材料包括过渡金属和稀土金属的氧化物、硫化物、硒化物、氮化物、碳化物、磷化物、砷化物、氯化物和溴化物。适合的开关材料还包括诸如Si和Ge之类的元素半导体以及诸如III-V和II-VI族化合物半导体之类的化合物半导体。可能的开关材料的罗列不是详尽的，并且不限制本发明的范围。用于改变开关材料的电特性的掺杂剂种类取决于所选的开关材料的具体类型，并且可以是阳离子、阴离子或空穴，或者是作为电子施主或电子受主的杂质。例如，在诸如TiO₂之类的过渡金属氧化物的情况下，掺杂剂种类可以是氧空位。对于GaN来说，掺杂剂种类可以是氮化物空位或硫离子。对于化合物半导体来说，掺杂剂可以是n型杂质或p型杂质。

如图1所示，作为示例，在一个实施例中，开关材料可以是TiO₂。在此情况下，开关材料可以携带的并且可以被运输穿过开关材料的掺杂剂是氧空位（V_O²⁺）。通过控制有源区122中开关材料中的氧空位的浓度和分布，可以使纳米级开关器件100在“接通”状态和“关断”状态之间开关。当在上电极120和下电极110之间施加DC开关电压时，跨有源区122建立电场。可以通过具有闭环反馈控制的开关电路132提供开关电压和开关电流，这将在下文中给出详细描述。跨有源区122的电场如果具有足够的强度和合适的极性，则可以驱动氧空位通过开关材料向上电极120漂移，从而使器件转变至“接通”状态。