爲應對大數據時代海量數據的存取需求，基于新材料、新原理、新結構的新型存儲技術必須具備低功耗和高密度集成的特點。阻變存儲器具有低功耗、高速存取、易于三維集成及存算融合等特點，有望成爲下一代主流的存儲技術。

　　阻變存儲器的高低阻態轉變行爲源于導電細絲在外部電場下的可重複形成與破裂。伴隨導電細絲的形成/斷裂過程，細絲環境的物化性質也在發生動態變化，並對導電細絲産生影響。深入剖析導電細絲系統的動態物化特性並完善阻變機制，對氧化物基阻變存儲器的大規模制造和商業化發展至關重要。 

　　微电子所劉明院士团队近年来对阻变器件进行了深入研究，在阻变存储器性能优化、3D阻變存儲器陣列及芯片集成、阻變存儲器的嵌入式應用等方面取得一系列研究成果。近日，該團隊率先對氧化铪基阻變存儲器中細絲環境的動態演變行爲進行了原子級分析，證明了非晶氧化铪基阻變存儲器的導電細絲系統爲核殼結構，其核心爲金屬性導電細絲，細絲殼層環境爲絕緣性的結晶態HfO₂。 

　　Pt/HfO₂/Pt做爲氧化铪基阻變存儲器機制研究的經典結構，爲細絲環境動態演變的研究提供了純淨的阻變環境。未經電學操作的器件中HfO₂爲非晶態（如圖1(a))。SET操作後，器件阻變層中形成以m-HfO₂（單斜相二氧化铪）爲殼層結構的細絲系統（如圖1 (b))。而在RESET操作後的器件中，在金屬性細絲斷裂的基礎上，細絲系統的殼層環境演變爲t-HfO₂（四方相二氧化铪），如圖1(c)。此外，在頂電極材料爲TiN、Ta、Hf和Ti的氧化铪基阻變存儲器中，同樣清晰地觀察到該核殼結構細絲系統。因此，該核殼結構導電細絲系統對于氧化铪基阻變存儲器具有普遍意義。研究還發現，焦耳熱效應、氧空位濃度和表面能是影響殼層HfO₂晶體結構的重要因素。 

　　殼層結構在一定程度上阻礙了金屬性導電細絲組分的自發擴散和自發氧化，從而確保器件具有良好的保持特性，這是阻變存儲器可微縮至5nm以下的潛在關鍵因素之一。該核殼細絲理論作爲價態轉變機制（VCM）的補充理論，完善了氧化铪基阻變存儲器的阻態轉變機制，爲氧化铪基阻變存儲器的大規模制作和商業化發展提供理論參考。 

　　該工作以《氧化铪基阻變存儲器中導電細絲系統動態變化的原子尺度觀察》（Evolution of the conductive filament system in HfO₂-based resistive memristor observed by direct atomic-scale imaging）爲題發表在《自然通訊》雜志上（Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-021-27575-z），微电子所博士研究生张颖为第一作者，微电子所劉明研究員、中国科学技术大学龙世兵教授和赵晓龙博士后、华中科技大学薛堪豪教授为通讯作者。 

　　该研究得到了国家自然科学基金、中國科學院战略性先导研究计划、中國科學院前沿科学重点研究计划、中央高校基本科研基金项目、中国博士后科学基金项目及中國科學院微电子研究所微电子器件与集成技术重点实验室开放课题的资助，以及中国科学技术大学微纳研究与制造中心和华中科技大学集成电路学院的支持。 

相關鏈接：

相关論文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27575-z

劉明院士个人网页链接：http://www.7ldou.com/sourcedb_ime_cas/zw/zjrck/201512/t20151216_4497277.html 

龍世兵教授個人網頁鏈接：http://sme.ustc.edu.cn/2018/1215/c17411a365660/page.htm 

薛堪豪教授個人網頁鏈接：http://www.eedevice.com 

圖1. 初始態、SET態和RESET態器件細絲系統的HRTEM圖像。(a) 初始態器件中HfO₂爲非晶狀態；(b) SET操作後，器件阻變層中出現被m-HfO₂包圍的完整的導電細絲；(c) RESET器件中断裂的金属性细丝，其壳层晶體結構由m-HfO₂轉變爲t-HfO₂相 

圖2. 氧化铪基阻变存储器不同工作阶段细丝系统演变示意圖