阻變存儲器：器件、材料、機理、可靠性及電路 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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林殷茵，宋雅麗，薛曉勇 著

圖書標籤:

• 阻變存儲器
• ReRAM
• 非易失存儲器
• 存儲器件
• 材料科學
• 可靠性
• 電路設計
• 新興存儲技術
• 存儲器技術
• 納米電子學

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030414991

版次：1

商品編碼：11541007

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2014-08-01

用紙：膠版紙

頁數：121

正文語種：中文

內容簡介

林殷茵、宋雅麗、薛曉勇著的《阻變存儲器--器件材料機理可靠性及電路》係統總結、歸納和對比瞭近來國際上在阻變存儲器核心技術上研究的最新成果以及發展趨勢，全書共分8章，包括阻變存儲器核心技術近年來的發展趨勢概述，2D存儲單元結構，阻變材料和機理，阻變讀寫性能的優化，可靠性的優化，讀寫電路技術，提高良率以及可靠性的電路輔助技術．3D集成及相關電路技術。
本書可作為高等院校電子科學與技術、電子與信息工程、材料科學與工程等專業的高年級本科生和研究生的選修課教材，也可供從事這一領域研究的科研和工程技術人員參考。希望這本書會對有興趣的讀者深入瞭解阻變存儲器這一國際熱點研究領域的進展、聚焦問題以及發展趨勢有所幫助。

目錄

前言 第1章  RRAM概述    參考文獻  第2章  2D RRAM的存儲單元結構    2.1  1T1R單元     2.1.1  單元結構     2.1.2  單極和雙極操作   2.2  采用二極管作為選通器件的單元     2.2.1  單極操作的1D1R單元     2.2.2  采用雙嚮二極管作為選通器件的RRAM單元   2.3  自整流RRAM單元     2.3.1  混閤型RRAM存儲單元     2.3.2  互補型RRAM器件   參考文獻 第3章  RRAM的阻變機理   3.1  導電細絲的類型及其相應的阻變過程      3.1.1  金屬導電絲型RRAM        3.1.2  氧空位導電絲RRAM      3.2  RRAM的FORMING過程   3.3  導電細絲的微縮化及其對性能的影響     參考文獻 第4章  影響RRAM讀寫性能的主要因素和優化方法   4.1  降低RESET電流的方法     4.1.1  構建多層結構     4.1.2  通過控製限流降低功耗   4.2  操作算法提高RRAM讀寫特性     4.2.1  自適應寫操作算法提高寫成功率和Roff／Ron窗口     4.2.2  操作算法提高參數一緻性   4.3  工藝方法提高讀寫參數一緻性      4.3.1  電極效應     4.3.2  插入緩衝層和構建雙層結構     4.3.3  嵌入金屬來控製導電通路     參考文獻  第5章  RRAM的可靠性   5.1  保持特性當前的測試方法   5.2  保持特性的模型和改善方法      5.2.1  RRAM保持特性失效模型     5.2.2  通過形成高密度的氧空位CF改善保持特性     5.2.3  通過動態自適應寫操作算法改善保持特性   5.3  耐久性模型和改善方法     5.3.1  耐久性失效模型      5.3.2  高耐久性的器件結構      5.3.3  通過編程算法提高耐久性      參考文獻  第6章  提高RRAM讀寫速度及帶寬的電路技術   6.1  提高讀速度的電路技術     6.1.1  基於反饋調節的位綫偏壓方案      6.1.2  PTADB方案    6.2  提高讀帶寬的電路技術     6.2.1  片上所有sA同時工作      6.2.2  交替頁訪問並結閤DDR接口輸齣    6.3  加快寫速度及帶寬的電路技術   參考文獻  第7章  提高RRAM讀寫良率和可靠性的電路技術    7.1  提高讀良率的電路技術     7.1.1  PSRC方案      7.1.2  SARM方案      7.1.3  BDD-CSA方案      7.1.4  TABB方案      7.1.5  SSC-CSA方案    7.2  提高寫良率降低寫功耗的電路技術      7.2.1  自適應寫模式      7.2.2  帶反饋的自定時寫方案    7.3  提高耐久性和保持特性的電路技術      7.3.1  兩步FORMING方案     7.3.2  阻值驗證寫方案      7.3.3  動態自適應寫方法    參考文獻  第8章  3D RRAM集成及電路技術   8.1  傳統交叉點架構的漏電通路及功耗問題    8.2  基於lTXR的3D RRAM       8.2.1  lTXR單元及陣列架構     8.2.2  剋服寫乾擾的編程算法     8.2.3  剋服讀乾擾的措施   8.3  基於1D1R單元的3D RRAM      8.3.1  陣列架構      8.3.2  可以補償漏電流來精確檢測阻態變化的寫電路技術     8.3.3  采用位綫電容隔離來加快sA翻轉的讀電路   8.4  采用雙嚮二極管作為選通器件的3D RRAM     8.4.1  陣列架構      8.4.2  lBDlR陣列的編程條件      8.4.3  采用冗餘單元的多位寫架構    8.5  具有較低光刻成本的竪直3D堆疊方式      8.5.1  單元和陣列的截麵圖     8.5.2  光刻方麵的成本優勢   參考文獻

前言/序言

阻變存儲器：器件、材料、機理、可靠性及電路 序言 信息時代的飛速發展，對存儲技術提齣瞭前所未有的挑戰。傳統的馮·諾依曼架構在處理器與存儲器之間存在“功耗牆”和“帶寬牆”的瓶頸，製約著計算效率的提升。非易失性存儲器（NVM）的發展，尤其是阻變存儲器（ReRAM），為突破這一瓶頸帶來瞭曙光。ReRAM以其結構簡單、功耗低、讀寫速度快、高集成度以及與CMOS工藝兼容的優勢，被認為是下一代主流存儲技術的重要候選者之一。 本書《阻變存儲器：器件、材料、機理、可靠性及電路》旨在係統、深入地闡述阻變存儲器的核心內容，為研究人員、工程師及相關領域的學生提供一份全麵而詳實的參考。本書內容涵蓋瞭阻變存儲器從基礎的器件結構、核心的材料選擇，到關鍵的工作機理、至關重要的可靠性分析，再到實際的電路設計與應用等各個方麵。我們力求以嚴謹的學術態度，清晰的邏輯結構，生動的圖錶和實例，呈現阻變存儲器這一前沿領域的全貌。 第一部分：阻變存儲器基礎 第一章 緒論 本章將帶領讀者進入阻變存儲器的世界，首先迴顧存儲技術的演進曆程，對比現有主流存儲技術（如DRAM、SRAM、Flash）的優缺點，並深入分析其麵臨的挑戰。在此基礎上，重點介紹阻變存儲器的概念、發展曆史以及其區彆於其他存儲技術的獨特優勢，如低功耗、高速度、高密度、三維集成潛力等。同時，本章還將概述阻變存儲器在計算、人工智能、物聯網等領域的潛在應用前景，為讀者構建一個宏觀的認知框架。 第二章 阻變存儲器基本結構與工作原理 本章將詳細解析阻變存儲器的基本器件結構。我們將重點關注經典的金屬-絕緣體-金屬（MIM）結構，並介紹其構成要素，包括上下電極材料和中間的阻變層材料。在此基礎上，本章將深入闡述阻變存儲器的核心工作原理——電位移（Set）和電位移（Reset）過程。我們將解釋電場如何驅動材料中載流子的注入、遷移和聚集，形成導電細絲（CF），以及電流和電壓如何影響導電細絲的生長和斷裂，從而實現電阻狀態的改變。此外，本章還將簡要介紹不同類型的阻變存儲器結構，例如單極性（unipolar）和雙極性（bipolar）阻變器件，以及它們在工作模式上的差異。 第二部分：材料科學與器件物理 第三章 阻變材料的分類與特性 阻變材料是決定阻變存儲器性能的關鍵。本章將對目前研究廣泛的阻變材料進行係統分類和深入探討。我們將重點介紹氧化物（如HfO$_{x}$、TiO$_{x}$、TaO$_{x}$、AlO$_{x}$、ZnO$_{x}$等）、鈣鈦礦氧化物（如SrTiO$_{3}$、Pr$_{0.7}$Ca$_{0.3}$MnO$_{3}$等）、硫化物、相變材料（雖然通常歸為相變存儲器，但其電阻變化機製與阻變有共性）、聚閤物等主要材料體係。對於每種材料，我們將詳細分析其化學組成、晶體結構、製備工藝及其對阻變特性的影響。我們將深入討論材料的氧空位濃度、缺陷類型、相變行為以及電荷傳輸機製等，並評估它們在開關電壓、開關比、穩定性、能耗等方麵的優缺點。 第四章 導電細絲（CF）的形成與演化機理 導電細絲（Conductive Filament, CF）的形成、生長、斷裂與重構是阻變存儲器工作的基礎。本章將聚焦於CF的微觀形成機理。我們將深入探討不同材料體係下CF的形成機製，包括： 氧空位（Oxygen Vacancy）機製： 詳細闡述氧空位在金屬氧化物中如何聚集形成導電通道，包括氧空位的擴散、遷移、結閤與解離過程，以及電場和熱效應對其的影響。 金屬離子遷移機製： 對於一些金屬氧化物（如NiO$_{x}$，TaO$_{x}$），金屬離子的注入和遷移如何形成導電通道。 缺陷團簇（Defect Cluster）模型： 介紹缺陷團簇如何在電場作用下發生重排，形成導電通路。 其他機製： 簡要提及其他可能的CF形成機製，如晶界通道、錶麵效應等。 此外，本章還將討論CF的形態、尺寸、分布以及它們在不同工作狀態下的演化規律，並分析這些因素如何影響器件的阻變行為和性能。 第五章 電極材料對阻變特性的影響 電極材料的選擇與器件性能息息相關，尤其在CF的形成和斷裂過程中扮演著至關重要的角色。本章將詳細分析不同電極材料（如Pt, Au, W, Ti, Al, TiN, TaN等）與阻變層材料之間的界麵特性。我們將探討： 功函數匹配效應： 分析電極功函數與阻變材料的電子親和勢如何影響載流子注入效率，進而影響器件的開關電壓和開關比。 界麵反應與閤金化： 討論電極材料與阻變材料在高溫處理過程中可能發生的化學反應、界麵層形成以及閤金化現象，以及這些現象如何改變界麵能壘和CF的形成/斷裂行為。 電化學反應與“活化”電極： 重點介紹對於某些材料體係，電極材料（如Ti, Al）可以通過電化學反應嚮阻變層注入金屬離子，促進CF的形成，並討論這種“活化”電極的特性。 電極材料對穩定性和可靠性的影響： 分析不同電極材料對器件的長期穩定性、循環壽命和抗乾擾能力的影響。 第三部分：可靠性與性能優化 第六章 阻變存儲器的可靠性挑戰 可靠性是阻變存儲器走嚮實際應用的關鍵瓶頸。本章將深入剖析阻變存儲器麵臨的各種可靠性挑戰，包括： 電壓/電流誘導的老化（Aging）： 分析器件在長期循環操作過程中，電壓或電流注入可能導緻的性能衰減，如開關比下降、開關電壓漂移等。 溫度效應： 討論溫度對CF形成/斷裂、材料特性以及器件穩定性的影響，以及高溫/低溫工作環境下的可靠性問題。 數據保持性（Retention）： 探討在高阻和低阻狀態下的數據保持能力，以及影響數據保持性的內在因素，如CF的穩定性、界麵退化等。 抗乾擾能力（Endurance）： 分析器件在大量讀寫循環後性能下降的機製，以及如何提高器件的循環壽命。 讀乾擾（Read Disturb）和寫乾擾（Write Disturb）： 討論讀操作或相鄰單元寫操作對目標單元數據可靠性的影響。 其他可靠性問題： 提及如濕氣、離子汙染等環境因素對器件可靠性的影響。 第七章 阻變存儲器的性能優化策略 針對上述可靠性挑戰，本章將係統介紹各種性能優化策略，旨在提升阻變存儲器的穩定性、耐久性和數據保持性。這些策略包括： 材料層麵的優化： 摻雜與缺陷工程： 通過引入特定元素或調控本徵缺陷濃度來改善材料的電學和阻變特性。 多層結構設計： 設計多層阻變材料或結閤不同材料的優勢，以實現更優的阻變行為。 界麵工程： 通過鈍化、改性等手段優化電極/阻變層界麵，提高界麵穩定性。 器件結構層麵的優化： 三維（3D）結構： 介紹如何通過垂直堆疊來提高存儲密度，並討論3D結構對可靠性帶來的新挑戰與解決方案。 柵控結構： 引入柵極以實現更精確的電流控製，減少乾擾，提高性能。 工藝層麵的優化： 退火工藝： 優化退火溫度、時間和氣氛，以改善材料結晶度、降低缺陷密度。 電化學退火： 利用電化學方法調控材料的氧空位分布。 操作模式優化： 脈衝寬度/幅度優化： 精確控製寫入/擦除脈衝的參數，以平衡性能與可靠性。 自適應擦寫策略： 根據器件狀態動態調整寫入/擦除參數。 第四部分：電路設計與應用 第八章 阻變存儲器讀寫電路設計 為瞭實現阻變存儲器的有效讀寫，需要設計專門的讀寫電路。本章將深入探討阻變存儲器相關的讀寫電路設計，包括： 單晶體管（1T1R）和雙晶體管（2T1R）結構： 分析不同單元結構的優缺點，以及與其匹配的讀寫電路設計。 讀電路設計： 恒流源/恒壓源讀操作： 討論不同讀操作模式的原理、功耗和精度。 感應放大器（Sense Amplifier）設計： 介紹如何設計高靈敏度、低功耗的感應放大器來區分高低阻態。 讀乾擾抑製技術： 探討在讀操作過程中如何最小化對其他單元的影響。 寫電路設計： 電壓/電流驅動電路： 設計能夠提供精確電壓或電流脈衝的寫驅動電路。 脈衝生成與控製： 討論如何生成穩定、可控的寫入/擦除脈衝。 自適應寫策略實現： 介紹如何在電路層麵實現自適應的寫操作。 多值（Multi-level）存儲讀寫電路： 針對能夠存儲多個比特的阻變器件，介紹相應的多值讀寫電路設計思路。 第九章 阻變存儲器在存內計算（In-memory Computing）中的應用 阻變存儲器具有模擬計算的潛力，這為實現存內計算（In-memory Computing）提供瞭可能，從而突破馮·諾依曼架構的限製。本章將深入探討阻變存儲器在存內計算領域的應用，包括： 神經形態計算（Neuromorphic Computing）： 模擬神經元和突觸： 解釋阻變器件如何模擬神經元的激活函數和突觸的權重，實現模擬信號的加權求和。 權值更新與學習： 討論基於阻變器件的在綫學習和離綫訓練機製，如STDP（Spike-Timing-Dependent Plasticity）等。 構建全連接網絡和捲積神經網絡（CNN）： 展示如何利用阻變陣列構建高效的神經網絡硬件。 邏輯計算（Logic-in-Memory）： 基於電阻狀態的邏輯門： 介紹如何利用阻變器件的不同電阻狀態實現基本的邏輯運算（AND, OR, NOT等）。 構建更復雜的邏輯功能： 探討如何將多個阻變器件組閤實現更高級的邏輯功能。 矩陣嚮量乘法（Matrix-Vector Multiplication）： 基於歐姆定律的矩陣嚮量乘法： 詳細解析如何利用阻變陣列和交叉開關實現高效的矩陣嚮量乘法，這是深度學習推理的關鍵。 精度和功耗優化： 討論在模擬計算中如何處理精度損失和優化功耗。 第十章 阻變存儲器麵臨的挑戰與未來展望 在本書的最後，我們將對阻變存儲器當前麵臨的主要挑戰進行總結，並對其未來的發展趨勢進行展望。 當前主要挑戰： 標準化和工藝成熟度： 阻變存儲器的材料和結構多樣，缺乏統一的標準，工藝集成難度較大。 長期可靠性（尤其是高溫下）： 盡管已有顯著進展，但在極端環境下（如高溫）的長期數據保持性和抗乾擾能力仍需進一步提升。 性能均衡： 如何在速度、功耗、密度和可靠性之間找到最佳的平衡點。 成本效益： 相較於成熟的NAND Flash，阻變存儲器的生産成本需要進一步降低。 先進封裝與集成： 如何與CMOS工藝高效集成，實現大規模、高性能的存儲係統。 未來發展趨勢： 新材料的探索與發現： 持續研發具有更優阻變特性、更高穩定性的新型阻變材料。 三維（3D）高密度化： 進一步發展3D堆疊技術，實現更高存儲密度。 存內計算的深化： 阻變存儲器在AI、大數據分析等領域的應用將更加廣泛，成為高性能計算的關鍵組成部分。 與新興技術的融閤： 與量子計算、柔性電子等技術的結閤。 理論模型與仿真工具的完善： 發展更精確的理論模型和仿真工具，指導材料和器件的設計。 本書的齣版，希望能夠為阻變存儲器領域的研究和發展貢獻一份力量，推動這一極具潛力的存儲技術早日實現廣泛的商業化應用，為未來的信息技術發展提供堅實的基礎。 結語 《阻變存儲器：器件、材料、機理、可靠性及電路》是一本旨在提供全麵、深入、前沿的阻變存儲器知識體係的書籍。我們力求通過嚴謹的內容組織和詳實的論述，幫助讀者建立對阻變存儲器從基礎概念到尖端應用的完整認知。本書不僅關注理論的闡釋，更注重實際的工程應用和未來的發展趨勢。我們相信，本書將成為阻變存儲器領域研究人員、工程師和學生的寶貴參考資源。

評分☆☆☆☆☆

本書在關於阻變存儲器工作機理的闡述上，簡直就是一部精密的“操作手冊”。作者以一種嚴謹而又極其清晰的邏輯，層層剝離齣阻變存儲器核心的“變阻”過程。我尤其欣賞書中對於各種“機製”的深入探討，比如最常見的缺電子導電機製（CF4），以及與此相關的離子遷移、空位擴散等微觀過程。書中通過大量的仿真結果和實驗數據，直觀地展現瞭電場、溫度、電流等因素是如何影響這些微觀過程的。讓我印象深刻的是，作者並沒有止步於“是什麼”，而是深入分析瞭“為什麼”。比如，對於不同的阻變材料，為何其導電機製會有差異？對於同一材料，為何在不同的工作條件下，其變阻特性也會不同？書中都給齣瞭令人信服的解答。我感覺自己就像是在一個精密的實驗室裏，與作者一起，通過理論推演和數據分析，一步步揭示著阻變存儲器“從無到有”地儲存信息的過程。這種對機理的深入剖析，不僅滿足瞭我對科學原理的好奇心，更讓我對如何優化器件性能，提高可靠性，有瞭更清晰的思路。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計簡潔而大氣，封麵上“阻變存儲器：器件、材料、機理、可靠性及電路”這幾個字，無不透露著一種嚴謹和專業的氣息。我拿到這本書，便迫不及待地翻閱起來。盡管我對阻變存儲器這一領域的研究尚屬初步，但這本書的開篇就以一種引人入勝的方式，將我帶入瞭其神秘而充滿活力的世界。作者並沒有一開始就陷入晦澀難懂的理論細節，而是先從阻變存儲器的基本概念、發展曆程以及其在未來信息技術中的重要地位入手，讓我這個門外漢也能窺見其冰山一角。書中對不同類型阻變存儲器（如氧化物阻變存儲器、鈣鈦礦阻變存儲器等）的介紹，就像是一場精彩的器件博覽會，讓我對這些小小的芯片有瞭全新的認識。尤其讓我印象深刻的是，作者用生動的比喻和清晰的圖示，解釋瞭阻變存儲器的工作原理，仿佛在我腦海中勾勒齣電子在材料中穿梭的奇妙景象。書中的一些案例分析，也讓我看到瞭阻變存儲器在實際應用中的巨大潛力，比如在人工智能、物聯網等前沿科技領域，它都能扮演至關重要的角色。閱讀的初期，我感覺自己像個初學者，被引領著探索一個全新的領域，每翻一頁，都能感受到知識的層層遞進，對這個領域的認識也在不斷加深，充滿新奇和驚喜。

評分☆☆☆☆☆

這本書的最後一部分，關於阻變存儲器在電路層麵的應用，為我打開瞭一扇通往實踐應用的大門。前麵章節中對於器件、材料、機理和可靠性的深入理解，在這裏得到瞭完美的升華。作者將這些基礎知識巧妙地融入到具體的電路設計中，讓我看到瞭阻變存儲器是如何在實際電路中發揮其獨特優勢的。我看到瞭如何利用阻變存儲器的非綫性特性，構建齣高效的神經網絡加速器，又如何將其嵌入到傳統的數字邏輯電路中，實現更低的功耗和更高的集成度。書中對各種典型應用的電路圖解和性能分析，非常具有啓發性。它不僅僅是理論的堆砌，更是將理論與實踐緊密結閤的典範。我感覺自己仿佛置身於一個創新設計的沙盤，與作者一起，用阻變存儲器這一強大的工具，構建齣各種令人驚嘆的電路。這種將基礎研究成果轉化為實際應用的能力，是科技進步的核心驅動力，而這本書，無疑為我提供瞭這方麵的絕佳範例。

評分☆☆☆☆☆

我尤其被書中關於阻變存儲器可靠性的章節所吸引。在數字化浪潮席捲一切的今天，數據的穩定存儲和長久保存，是衡量一項技術是否成熟的關鍵。這本書在這個方麵的探討，可以說是麵麵俱到，細緻入微。作者並沒有迴避阻變存儲器在實際應用中可能遇到的各種“磨難”，比如周期性讀寫帶來的疲勞，高溫高濕等惡劣環境的考驗，以及潛在的漏電流和串擾問題。書中詳細地分析瞭這些影響可靠性的因素，並提齣瞭相應的解決策略。我看到，作者不僅列舉瞭各種失效模式，還深入分析瞭導緻這些失效的根本原因，並提齣瞭從材料選擇、器件結構設計到測試方法等全方位的改進建議。這些內容，對於我這樣的初學者來說，簡直是一筆寶貴的財富。它讓我意識到，一項技術從實驗室走嚮實際應用，還有很長的路要走，而解決可靠性問題，是這條路上不可或缺的一環。書中提供的這些經驗和教訓，讓我能夠更清醒地認識到阻變存儲器未來的發展方嚮，以及需要重點關注的難點。

評分☆☆☆☆☆

讀罷這本書的部分章節，我仿佛被捲入瞭一場關於“物質內在魔力”的探索之旅。書中對於阻變材料的細緻剖析，讓我驚嘆於微觀世界的精妙與多樣。作者不僅僅是列舉瞭各種材料的化學式和晶體結構，更是深入挖掘瞭它們在電場作用下，所展現齣的獨特“性格”——電阻的變化。從簡單的金屬氧化物，到復雜的相變材料，再到新興的二維材料，每一種材料的介紹都伴隨著詳細的實驗數據和理論解釋，讓我能夠理解為何某種材料能在通電後“記住”其狀態，又能在另一電信號下“遺忘”過去。書中對材料結構與電學性能之間關係的闡述，尤其令人稱道。它不僅僅是描述現象，更是試圖揭示背後的物理和化學機理。例如，對於缺陷的形成與遷移如何影響導電通路，對於相變過程中電導率的劇烈變化，都有詳盡的論述。我仿佛能看到材料內部，那些微小的原子和電子，在能量的驅動下，上演著一場場精密的“舞蹈”，最終決定瞭存儲器的性能。這種對材料本質的深入探究，讓我對阻變存儲器有瞭更深層次的理解，也為我未來在材料設計和選擇方麵提供瞭重要的理論指導。