导读

阻变存储器通过交叉矩阵结构设计，在高密度存储和神经形态计算等领域展现出广泛的应用前景。然而，在传统的电读取过程中，由于目标单元的邻近单元会产生漏电流，导致电流串扰效应，这一现象会显著影响读取结果的准确性，降低存储器件的容错能力。

近期，南京工业大学的黄维院士和刘举庆教授团队在该方向取得突破性进展。他们观察到了一种新颖的忆阻-光导转导(MPT)现象。具体而言，在电激励下，忆阻单元内部的导电细丝会发生形成和断裂的动态过程，这一过程不仅驱动了器件在高低阻态之间的转变，而且使得器件在不同阻态下展现出不同的光电响应特性。基于这一独特现象，研究团队进一步在交叉结构集成的忆阻器阵列中实现了精准无损的读取操作。该研究成果以“A Memristive-Photoconductive Transduction Methodology for Accurately Nondestructive Memory Readout”为题，发表于《Light：Science & Applications》。

研究背景

采用十字交叉结构进行集成的阻变存储阵列在高密度信息存储、大规模神经网络等方面具有巨大的潜力。然而，读取过程中相邻存储单元产生的漏电流会导致电流串扰，限制存储阵列容量、增加系统功耗、降低器件容错。为了缓解这种电流串扰问题，当前主流的策略是通过将存储单元与额外的开关或整流单元集成，如晶体管-存储(1T1R)，二极管-存储(1D1R)以及选择器-存储(1S1R) 等结构。尽管上述方法在读取操作中避免了存储数据的失真，但同时也伴随着复杂的电路设计及制造过程。互补电阻开关是另一种能够有效地阻断漏电流的方式，但其破坏性的读取过程制约了器件的寿命。鉴于现有策略的不足，迫切需要开发新方法对交叉结构阻变存储阵列进行精确、无损地读取。

原位显微技术和光谱技术能够观察阻变存储器在置位、复位过程中的结构和元素演变，有力地证明了金属颗粒或氧空位可以引导导电细丝的形成和断裂，从而转变存储单元的电阻状态。这种结构、元素的变化对大多数半导体存储器的光电特性都有着显著影响。例如，以半导体MEH-PPV为阻变介质的有机阻变存储器，当处于高电阻态时，电刺激下能够发出明显的光。但当器件转变为低电阻态，由于两个电极之间形成了连续的金属导电细丝，器件在电刺激下无法发光，从而可以通过人眼来判断器件当前的存储状态。而光电效应广泛存在于半导体二极管器件中，金属导电细丝在半导体介质中的生长可能会改变存储单元的光电特性，进而作为二进制信息识别的读出信号。

创新研究

研究人员以典型的有机半导体材料P3HT为阻变介质制备了具有光-电双响应的忆阻原型器件。在正向电压刺激下，器件能够从初始高阻态转变为低阻态，在负向电压刺激下，器件能够恢复到高阻态。对器件施加光刺激，当器件处于高阻态时，能够检测到明显的光电流；当器件处于低阻态时，光电流消失。

图1. (a) 器件结构示意图；(b) 器件电存储特性； (c) 器件光响应特性

通过采取不同偏压与扫描次数对器件的光电流弛豫时间进行分析，并借助STEM和KPFM技术，证明了器件的阻变行为源于顶端电极银在电场作用下逐渐扩散至阻变介质P3HT中，并在内部形成了连通两端电极的金属导电细丝。而残留在P3HT中的银团簇则充当了陷阱中心，对光生载流子进行俘获-释放，导致了光电流弛豫时间的延长。

图2. (a) KPFM测试示意图；(b) 器件表面电势演变； (c) 纯P3HT薄膜能带示意图； (d) 掺杂P3HT薄膜能带示意图

当存储单元处于高阻态时，光生载流子在内建电场下有效分离，形成可监测的光电流；转变至低阻态后，由于导电细丝连通两端电极形成短路，内建电场消失。光生载流子无法有效分离，导致了光电流的消失。基于这一忆阻-光导转换特性，研究人员制备了4*4的阻变存储阵列，并采用光电读取的方式实现了对16个存储单元电阻状态的精确感知。

图3. (a) 电流串扰示意图；(b) 光电读取下，16个存储单元的光电流

前景展望

该工作提出了一种基于忆阻-光导转导(MPT)特性实现无串扰读取的策略，利用半导体阻变存储器在不同阻态下光电响应差异化的特性，可以在交叉集成的存储阵列中实现精确且无损的读取操作。这一发现不仅为阻变存储器的读取操作提供了一种新的思路，而且有望提高存储器件的读取精度和可靠性，为高密度存储和神经形态计算等领域的发展提供有力的技术支撑。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01519-w