研究背景
自1971 年第一款商用微处理器问世以来，半导体行业取得了长足的进步，从集成了 2300个晶体管的英特尔 4004处理器到集成了 160 亿个晶体管的苹果M1处理器。在过去的 50年中，随着晶体管特征尺寸的不断缩小，材料和制造方法(主要集中在硅半导体技术上)也取得了长足的进步，然而，我们也看到，硅技术即将达到其物理极限，因此应开发与硅技术兼容的新材料和器件，用于未来的内存计算技术。近年来，传统的体硅半导体技术在满足机器学习 (ML)、物联网(loT)和无人驾驶等新兴数据密集型行业需求方面遇到了瓶颈。随着大数据产业的快速发展，对高性能硬件，包括多功能传感器、高频电子器件以及用于未来感知、通信和计算的计算设备的需求量很大。在众多竞争者中，基于不同应用场景的电阻式随机存取存储器 (RRAM)器件，包括忆阻器和忆阻晶体管 (兼具忆阻器和晶体管功能的多端晶体管)，是在不久的将来实现内存技术的有希望的候选器件。
2009 年，惠普(Hewlett-Packard) 公司首次将其集成到互补金属氧化物半导体 (CMOS)电路中，形成了一个8x8交叉条阵列。在这种忆阻器-CMOS 混合集成电路中，忆阻器的功能是控制不同 CMOS 门之间的信号传输。虽然这种混合集成芯片只是提供了类似 FPGA的功能，但成功的集成表明，单个忆阻器器件就能完成传统 CMOS 电路中需要多个晶体管才能完成的功能。因此，一种与标准 CMOS 工艺兼容的新型忆阻器-CMOS 混合架构应运而生。
虽然摩尔定律可以通过使用更少的电阻开关(RS)器件实现等效电路作用，从而超越晶体管的扩展极限，但要实现复杂的计算功能，还必须提高电阻器件的集成密度。十多年来的多项研究加快了 RRAM 器件的集成速度，此外，直到最近还提出了一种集成了 300 万个 RRAM 单元的 NeuRRAM 芯片。该多核架构芯片中的 RRAM 单元是基于氧化铪的忆阻器，其中开关层(HfOx)和热增强层(TaOx)的厚度约为 50nm。目前，RRAM 器件主要基于金属氧化物材料，如 TiOx、TaOx、HfOx、SiOx 和 ZrOx。尽管基于金属氧化物的忆阻器芯片在神经形态计算和人工智能(AI)领域有着广阔的应用前景，但其工艺技术和集成水平仍远远落后于应用需求。随着 RRAM 器件不断微型化以实现更复杂的功能，这些金属氧化物材料的厚度缩减到 3 nm 时，缺陷将变得不可控制，器件的可靠性也将降低。当施加电场时，器件中的原子会在界面或缺陷 (如空位、晶界 (GB)和原子位错)周围发生重排或扩散，从而导致电阻切换。由于 RRAM 器件的电阻在很大程度上取决于开关层的厚度，当介电层厚度缩减到3 nm时，局部不均匀性和随机缺陷将对开关不变性产生关键影响。随着开关层厚度的减小，缺陷的影响将被放大。此外，金属原子积累的可能性会进一步增加，这也会威胁到开关的可靠性。因此，需要基于替代材料、具有更低漏电流和更大导通/关断比的新型电阻器件。与传统的基于金属氧化物的 RRAM 器件相比，基于二维(2D)层状材料的 RRAM 器件具有更高的电性能调节精度和更好的微型特性。
研究成果
半个多世纪以来，硅基集成电路产业一直致力于缩小晶体管的规模。然而，晶体管的微型化很快就会达到物理极限，因此需要新型材料和器件技术。电阻存储器是内存计算和高能效突触器件的理想候选器件，可满足未来应用的计算需求。然而，周期与周期之间以及器件与器件之间的一致性较差，阻碍了其大规模生产。二维 (2D)材料作为一种新型半导体，已成功应用于各种微/纳米电子器件，并有潜力推动电阻式存储器技术的未来创新。吉林大学李贤斌&华中科技大学徐鸣教授等人在本综述中评估了最薄先进材料(即单层二维材料)在忆阻器或忆晶体管应用中的潜力，包括电阻开关行为和原子机制、高频器件性能以及内存计算/超形态计算应用。此外，还介绍了石墨烯、过渡金属二卤化物和六方氮化硼等前景看好的单层二维材料的缩放优势。最后，详细讨论了这些原子器件在实际应用中面临的技术挑战。基于单层二维材料的电阻式存储器的研究有望为探索硅以外的电子技术发挥积极作用。相关报道以“Resistive Memory Devices at the Thinnest Limit: Progress and Challenges”为题发表在Advanced Materials期刊上。
图文导读
Figure 1. Fabrication of hybrid 2D/CMOS memristive microchips.
Figure 2. Applications of 2D monolayer materials in resistive memory devices.
Figure 3. Characteristics of atomic threshold switch based on a single-layer h-BN with and without a graphene monolayer acting as an ionic barrier.
Figure 4. Resistive switching devices with planar structures based on monolayer graphene.
Figure 5. Architecture and characteristics of monolayer MoS2 based memtransistor.
Figure 6. Working principles and characteristics of monolayer TMDs based atomristor.
Figure 7. Working principles and characteristics of single-layer h-BN based atomristor.
Figure 8. Performances of monolayer 2D materials based MIM memristors.
总结与展望
近年来，基于单层二维材料的最薄极限电阻式存储器件的研究已经开始。随着基于单层二维材料的电阻式存储器件性能越来越好、功能越来越复杂，二维单层材料将在未来的电子技术(如数据存储/存储器、射频开关、内存计算和神经形态计算) 中发挥重要作用。然而，基于二维单层材料的电阻式存储器件的研究和开发仍处于早期阶段。虽然其电阻存储器件具有高导通/关断比和快速开关速度等优点，但在这些器件达到商业应用标准之前，仍需解决耐久性差和产量低等关键挑战。为克服这些挑战，应精确控制这些最薄材料和电极金属原子的缺陷，并考虑采用创新的 RS 器件，如基于非丝导电机制的原子晶体管。
文献链接
Resistive Memory Devices at the Thinnest Limit: Progress and Challenges
https://doi.org/10.1002/adma.202307951
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