[论文解读] A Si-memristor electronically and uniformly switched by a constant voltage

Yang Lu, I‐Wei Chen|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2018

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 37被引用 19

一句话总结

本文提出了一种基于非晶硅的硅基忆阻器，通过恒定电压实现均匀的电子开关，利用贯穿整个器件厚度（>15 nm）的相干电子波函数。与基于离子迁移的忆阻器不同，该器件表现出快速、耐用、低功耗且可电子调控的电导，无丝状不稳定性，可集成于硅技术中，适用于下一代纳米电子学。

ABSTRACT

Amorphous insulators have localized wave functions that decay with the distance $r$ following exp($-r/ζ$). Since nanoscale conduction is not excluded at $r

研究动机与目标

• 开发一种仅通过电子方式实现均匀电导调控、无需离子迁移的忆阻器。
• 克服基于离子的忆阻器的局限性，如随机丝状结构形成和耐久性差。
• 利用非晶硅的电子特性，实现可扩展、与硅兼容的纳米电子器件。
• 证明通过非晶绝缘体中相干电子输运可实现均匀的纳米尺度电导。

提出的方法

• 在金属-绝缘体-金属结构中使用非晶硅作为绝缘层，以实现贯穿整个厚度的电子波函数重叠。
• 通过调控被捕获电荷和电子-晶格相互作用，工程化器件以维持相干电子输运。
• 施加恒定电压，通过电子-晶格耦合触发压力诱导的绝缘体-金属转变。
• 采用多种非晶硅组成，验证其鲁棒性和工艺兼容性。
• 通过测量电导均匀性和开关速度，确认为电子式、非丝状导电。
• 通过恒定电压偏置下的电学表征验证器件性能，显示稳定且可重复的开关行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 非晶硅能否支持贯穿其整个厚度的相干电子输运，以实现均匀的电导调控？
• RQ2 恒定电压是否能在无离子迁移的情况下，诱导非晶硅中从绝缘体到金属的均匀电子转变？
• RQ3 此类忆阻器能否实现快速、耐用且低功耗的开关，适用于硅技术的集成？
• RQ4 电子-晶格相互作用如何稳定被捕获电荷，以调节非晶绝缘体中的电导？
• RQ5 该器件性能是否可在不同非晶硅组成中保持一致可重复？

主要发现

• 忆阻器表现出延伸超过15 nm的相干电子波函数，实现了非晶硅中三维、各向同性的电子输运。
• 在恒定电压下，电导在器件横截面上均匀调制，证实为非丝状、电子式开关。
• 开关机制由电子-晶格相互作用驱动，可稳定被捕获电荷，实现压力触发的绝缘体-金属转变。
• 该器件表现出快速开关速度、高耐久性和低功耗，优于基于离子迁移的忆阻器。
• 忆阻器由多种非晶硅组成制成，证明其工艺兼容性和面向硅集成的可扩展性。
• 该器件无离子迁移，消除了传统忆阻器固有的随机性和不稳定性。