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隨著大規(guī)模集成電路技術的飛速發(fā)展、摩爾定律開始受限，以阻變存儲器（RRAM）為代表的新型非揮發(fā)性存儲器成為了集成電路領域的研究熱點。
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RRAM具有結構簡單、性能穩(wěn)定、速度快、功耗低等優(yōu)勢，并且可以采用三維交叉陣列結構來實現(xiàn)大規(guī)模高密度集成。然而，交叉陣列中的存儲單元之間存在漏電會引起旁路串擾（Sneak paths），這是阻礙RRAM大規(guī)模高密度集成的關鍵問題。
為解決交叉陣列中的旁路串擾問題，通用方法是將一個兩端選通器（Selector）與RRAM串聯(lián)起來，形成1S1R結構，以抑制交叉陣列中潛通路的漏電流。
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目前報道的選通器主要是基于整流效應、隧穿勢壘效應、揮發(fā)性閾值轉變效應等機制。其中，以Ag或Cu等活性金屬為電極（或摻雜劑）的金屬導電細絲型閾值開關具有極低漏電流（~ pA）和高非線性開關比（>107）等優(yōu)勢特征，引起人們的廣泛關注。
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但是，此類選通器的工作電流通常只能限于10 μA及以下，這制約著選通器對高驅動電流和高開關比的工作要求。
鑒于此，清華大學微電子學研究所錢鶴教授、吳華強教授、高濱副教授的研究團隊與復旦大學微電子學院周鵬教授合作，提出了一種有效提升金屬導電細絲型閾值開關工作電流的新方法。
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通過引入有序Ag納米點陣列作為閾值開關的活性電極，結合快速熱退火工藝，制備得到了高性能選通器。其主要性能指標有：高開態(tài)電流（> 1 mA，可達2.3 mA）、極低漏電流（< 1 pA）、高開關比（> 109）、良好的耐久性（> 108）和熱穩(wěn)定性（< 200°C）、無需電激勵（electroforming）操作的雙向閾值開關。
與Ag薄膜作活性電極的傳統(tǒng)器件相比，基于有序Ag納米點的閾值開關在操作過程中可以避免過量Ag原子向固體電解質中遷移，從而抑制穩(wěn)定導電細絲的生長。
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根據(jù)量子電導和蒙特卡洛模擬分析可知，Ag納米點的電極設置并結合快速熱處理工藝，有助于形成多條細導電細絲。在較低電壓作用下，多條細導電細絲能夠連接導通，而在電壓降低過程中則會自發(fā)斷裂。另外，將這種選通器與TaOx/Ta2O5基RRAM單元串接來構建1S1R結構的交叉存儲陣列，能夠獲得較大的讀取裕度，可以有效抑制交叉陣列中漏電流，解決其中存在的旁路串擾問題（如圖1所示）。為進一步提升納米存儲陣列的集成密度以及降低系統(tǒng)功耗提供一種新思路。
圖1 基于有序Ag納米點陣的高性能選通器及1S1R器件選通特性.（a）RRAM交叉陣列旁路串擾示意圖；（b）具有高性能選通器構成1S1R結構的三維納米存儲陣列；（c）基于TaOx/Ta2O5-y的RRAM的I-V特性曲線。（d）閾值開關（Ag納米點/ HfO2）的I-V特性曲線；（e）1S1R集成器件的I-V特性曲線，在低電壓時表現(xiàn)出超低漏電流（~1 pA），RESET電流（IRESET）大于1 mA（最大IRESET?= ~2.3 mA）。
該項研究成果作為Inside Front Cover文章發(fā)表在近期Advanced Science?(DOI: 10.1002/advs.201900024) 上。
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清華大學吳華強教授、高濱副教授、復旦大學周鵬教授為論文共同通訊作者。論文第一作者是清華大學出站博士后化麒麟，現(xiàn)為中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所副研究員。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201900024
作者簡介 吳華強，清華大學微納電子系長聘教授，副系主任。2000年畢業(yè)于清華大學材料科學與工程系；同年獲經濟管理學院管理學士學位（雙學位）。2005年在美國康奈爾大學電子與計算機工程學院獲工學博士學位。研究領域為新型半導體存儲器及基于新型器件的類腦計算研究。已發(fā)表論文100余篇，獲得美國及中國授權發(fā)明專利40余項。 課題組介紹 清華大學錢鶴、吳華強教授領導的課題組是清華大學微納電子系的重點研究方向，也是北京信息科學與技術國家研究中心的重點團隊，得到了北京市未來芯片技術高精尖創(chuàng)新中心的支持。課題組主要從事的科研方向包括：阻變存儲器（RRAM）及其應用，基于憶阻器陣列的存算一體人工智能芯片，類腦計算等。近期，課題組在相關領域研究取得了很多重要成果，在電子器件國際頂尖會議IEDM上發(fā)表論文數(shù)10篇，2019年在ISSCC會議上也有基于RRAM的芯片研究成果文章，在Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Science等雜志發(fā)表了多篇高水平的論文。 期刊介紹 Advanced Science Advanced Science?is an interdisciplinary premium open access journal covering fundamental and applied research in materials science, physics and chemistry, medical and life sciences, as well as engineering. In 2018, the Impact Factor has increased by almost 40% to a value of 12.441 (2018 Journal Citation Reports).? Advanced Science?publishes cutting-edge research, selected through a strict and fair reviewing process and presented using highest quality production standards to create a premium open access journal. Top science enjoying maximum accessibility is the aim of this vibrant and innovative research publication platform. ? 投稿網址 https://www.editorialmanager.com/advancedscience/default.aspx
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