PGS. TS. Phạm Kim Ngọc
Keywords: Memristor, RRAM, Non-volatile memory
Lớp vật liệu điện môi bao gồm vật liệu perovskite (SrTiO3,
SrZrO3, Pr0.7Ca0.3MnO3, La0.7Ca0.3MnO3…), vật liệu ô xít kim loại
(ZnO, TiO2, NiO, WO3, CuOx…), vật liệu hữu cơ
và nhiều loại khác. Trong các vật liệu đó, gần đây, các nhà khoa học quan tâm
nhiều đến các loại vật liệu ô xít kim loại với nhiều ưu điểm như dễ chế tạo, hoạt
động ổn định, độ bền cao và tiết kiệm năng lượng khi hoạt động [1], [2]. Các điện cực sử dụng là
các màng mỏng kim loại hay màng mỏng dẫn điện trong suốt (TCO).
Phân loại RRAM
Bộ nhớ RRAM có thể được phân loại căn cứ vào đặc trưng đảo điện trở theo điện áp phân cực và cơ chế điều khiển quá trình đảo điện trở thuận nghịch.
Theo điện áp phân cực:
Căn
cứ vào đặc trưng đảo điện trở từ đặc trưng dòng – thế (I – V), bộ nhớ RRAM được
chia thành hai dạng là biến đổi đơn cực và biến đổi lưỡng cực.
· Sự đảo
điện trở đơn cực (unipolar): Điện thế VS (chuyển đổi từ trạng thái
OFF sang trạng thái ON) cùng chiều với điện thế VRS (chuyển đổi từ
trạng thái ON sang trạng thái OFF). Hai điện thế VS và VRS
có thể có độ lớn bằng nhau hoặc khác nhau. Có nghĩa là sự chuyển đổi giữa hai
trạng thái điện trở chỉ phụ thuộc vào độ lớn của điện thế áp vào cấu trúc,
không phụ thuộc vào chiều phân cực của điện thế (Hình 2.a)
· Sự đảo
điện trở lưỡng cực (bipolar): Điện thế VS và điện thế VRS
là
các điện áp ngược chiều nhau. Sự
thay đổi giữa 2 trạng thái điện trở không chỉ phụ thuộc vào độ lớn của điện thế
áp vào mà còn phụ thuộc vào chiều phân cực của điện thế (Hình 2.b).
Theo
cơ chế đảo điện trở thuận nghịch
Năm 2010, tác giả Waser đã công bố cách phân loại RRAM theo cơ chế điều khiển quá trình đảo điện trở [20]. Theo sự phân loại này, bộ nhớ RRAM được phân chia thành 5 loại (Hình 1.4): cơ chế thay đổi pha (Phase Change Memory - PCM), cơ chế hóa nhiệt (Thermal Chemical Memory - TCM), cơ chế thay đổi hóa trị (Valence Change Memory - VCM), cơ chế kim loại hóa điện hóa (Electrochemical Metallization - ECM) và cơ chế tĩnh điện (Electrostatic/Electronic Mechanism - EEM).
Phân loại RRAM theo cơ chế hoạt động.
Các yêu cầu quan trọng của bộ nhớ RRAM
a) Độ
đồng nhất (uniformity): điện áp điều khiển quá trình đảo điện
trở ổn định và các giá trị điện trở tương ứng ở 2 trạng thái cao ổn định theo
thời gian và không gian (toàn bộ các phần tử nhớ trong bộ nhớ).
b) Độ bền (endurance): Số
lần ghi/xóa/đọc dữ liệu lớn.
c) Thời gian lưu trữ (retention): Thời
gian lưu trữ dữ liệu và tỷ số giữa giá trị điện trở cao và thấp ổn định trong
khoảng thời gian dài trên 10 năm.
d) Hoạt động đa mức: tăng
khả năng lưu trữ dữ liệu theo các giá trị điện áp. Ứng với các giá trị điện áp
sẽ có giá trị điện trở tương ứng .
e) Xu
hướng thu nhỏ kích thước: nhằm nâng cao khả năng tích hợp, giảm
chi phí nguyên vật liệu nhưng vẫn duy trì dung lượng lưu trữ lớn.
Tóm lại, để cạnh tranh với các thiết bị có kết nối ngoài và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về bộ nhớ không khả biến mật độ cao, một bộ nhớ RRAM cần có những đặc điểm cơ bản như Waser đã đề nghị như trong bảng [3]:
|
Độ bền |
>107 vòng lặp (bộ nhớ Flash
103…107) |
|
Tỷ số điện trở |
ROFF/RON>10 |
|
Dòng đọc |
ION khoảng 1µA (do chu vi mạch) Khoảng 104 A/cm2
(cho ô nhớ 100 nm x 100 nm) |
|
Khả năng tích hợp |
F < 22 nm hoặc cấu trúc xếp chặt 3D |
|
Thế ghi |
Từ 1…5V (bộ nhớ Flash > 5 V) |
|
Thế đọc |
Từ 0,1…0,5 V |
|
Tốc độ ghi |
< 100 ns (bộ nhớ Flash > 10 µs) |
|
Khả năng lưu trữ |
> 10 năm |
Tài liệu tham khảo
- C. Ye, J. Wu, G. He, J. Zhang, T. Deng, P. He, and H. Wang, “Physical Mechanism and Performance Factors of Metal Oxide Based Resistive Switching Memory: A Review,” J. Mater. Sci. Technol., vol. 32, no. 1, pp. 1–11, 2016.
- H. Akinaga and H. Shima, “Resistive Random Access Memory (RRAM) Based on Metal Oxides,” Proc. IEEE, vol. 98, no. 12, pp. 2237–2251, 2010.
- R. Waser, R. Dittmann, C. Staikov, and K. Szot, “Redox-based resistive switching memories nanoionic mechanisms, prospects, and challenges,” Adv. Mater., vol. 21, no. 25–26, pp. 2632–2663, 2009.
Post a Comment