近日由日本大阪大学的研究小组于英国科学杂志《 Scientific Reports》上发布了一篇名为High-temperature operation of gallium oxide memristors up to 600 K（氧化镓忆阻器可在高达 600 K的高温运行）的氧化镓相关论文。
文章摘要
大阪大学的佐藤健人、林侑介、正冈直树、藤平哲也副教授和酒井朗教授组成的研究小组，首次成功地在高温状态下运行了作为电阻变化型储存设备的忆阻器。近年来，开发可在高温状态下运行的集成电路的进程中，非易失性存储器是必不可少的。对于只能在200°C以下运行的人工智能（AI）中使用的脑型计算机元件的硅晶体管，我们希望开发出在更高温度下可以运行的元件。此次研究中，使用了宽禁带半导体氧化镓生成的还原性非晶态氧化镓薄膜制造存储器，并且用实验证明了即使在300°C以上也拥有安定的存储性能。这种拥有能够在高温状态中运行的具有高环境耐性的存储元件是航空航天和抗放射性等极端环境应用的优良选择。
研究背景
现在信息社会中的大多数计算机是由硅晶体管构成的逻辑和记忆元件的集成电路组成。即使是通过自动驾驶和图像识别等应用而变得普遍的人工智能硬件，其内部类似大脑的计算机元件也是由硅晶体管组成。即使是通过自动驾驶和图像识别等应用而变得普遍的人工智能的硬件，其内部的脑型计算机元件也是由硅晶体管组成。它们使我们的生活变得方便而丰富，但由于硅半导体的物理特性（主要原因为带隙），其运行温度目前被限制在200℃或更低。近年来，越来越多需要电子器件和电路的应用设备需要在高温、航空航天和抗放射性等极端条件下运行。根据此种的情况，正在进行代替硅晶体管的新存储器元件和脑型计算机元件的开发，其中之一是电阻变化型存储器元件“记忆电阻器”。尽管对基于金属氧化物的忆阻器进行了大量的研究，但还未开发出耐高温的忆阻器。
研究内容
由金属氧化物制成的忆阻器由于材料内部存在氧空穴离子而具有导电性。通过施加电压氧空穴离子移动，发现了非易失性的电阻。对于目前为止一直被用于忆阻器体的二氧化钛、氧化钽和氧化铪等材料，通过施加电压导电部分呈丝状连接时，电阻发生变化。虽然"丝状型"的忆阻器具有高电阻率，但由于无法对灯丝形成的位置和尺寸的控制，在性能变化和长期可靠性方面还有待改进。
相比之下，此项研究侧重于 "非丝型 "材料，即通过控制氧空穴离子的分布而不形成丝状的材料来引起电阻变化。作为宽禁带半导体而被熟知的氧化镓，使用脉冲激光沉积法生长出数十nm厚的具有还原性非晶态薄膜，并在铂金上部电极和氧化铟锡下部电极之间制作了电容型忆阻器。通过测量计算还原性非晶态氧化镓（a-GaOx）忆阻器的C-V特性，得出了输出电流根据向上部电极施加正/负电压而变化的“反8字形磁滞特性”，具有存储功能（图1）。这是一种特性，即带正电的氧空穴离子在施加负电压时被吸引到上部电极时处于低电阻状态，而在施加正电压时从同电极离开时处于高电阻状态的特性（参考图1）。其状态平滑迁移，表示这个忆阻器是氧空穴离子的分布状态变化为 “非丝型”。在高温下的进一步测量显示，即使在600K（327℃）时也没有丝状的特性，而且其存储功能在很长一段时间内保持稳定。
这些结果表明， a-GaOx忆阻器与其他金属氧化物忆阻器相比，具有顶级的耐热性。
图1. 样品（a）G05、（b）G10和（c）G15在室温下获得的I-V曲线。(d) 在PLD期间，根据PAr切换HRS和LRS的电阻之前测量的氧化镓薄膜的电阻率。(e) 与电压扫过区域1-4的情况相对应的记忆体中的氧空位分布示意图。
研究成果
本次开发的a-GaOx忆阻器作为一种非丝状的电阻变化存储元件，即使在300℃以上的温度下也能表现出稳定特性。另外，此次使用的氧化镓是非晶态结构，所以为了选择衬底，可以将元件结构多层层叠，因此也适合三维集成电路化。期待其在高温和航空航天耐放射线等的极限环境下，存储集成电路和AI硬件使用的脑型计算机元件的应用。
原文分享
论文文章源自Scientific Reports，联盟编译整理