由桂林電子科技大學(xué)張法碧教授團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 Journal of Alloys and Compounds 發(fā)布了一篇名為 Advancements in gallium-oxide-based memristors（氧化鎵基憶阻器的最新研究進(jìn)展）的文章。

1. 背景

1962年，Hickmott等人首次在基于氧化物的半導(dǎo)體薄膜中報告了電阻開關(guān)行為。隨后研究證實(shí)，這一現(xiàn)象源于氧化物薄膜的內(nèi)在特性。十年后的1971年，Chua等人從理論上預(yù)測了第四種無源電路元件——憶阻器的存在，它連接磁通量與電荷。這一預(yù)測揭示了憶阻器引人入勝的電學(xué)特性，引發(fā)了廣泛關(guān)注。然而，由于材料制備、半導(dǎo)體集成技術(shù)的限制以及缺乏即時應(yīng)用需求，早期研究進(jìn)展受限。直到2008年，惠普實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)提出了一種簡化的等效電路模型，解釋了在薄膜與納米器件中觀察到的異常電流-電壓行為，包括電阻切換、遲滯、多電導(dǎo)態(tài)和表觀負(fù)微分電阻等現(xiàn)象。他們的模型揭示了憶阻器的雙極性開關(guān)特性，該特性隨后在多種材料體系中得到驗(yàn)證，包括金屬氧化物。隨著新型半導(dǎo)體研究的不斷推進(jìn)，憶阻器逐漸受到重視，并被應(yīng)用于多個前沿領(lǐng)域。

憶阻器（Memristor）是繼電阻、電容、電感之后被提出的第四種基本電路元件。作為兩端無源器件，其電阻值可以通過施加的電壓或電流進(jìn)行調(diào)制，并且在斷電后仍能保持其電阻狀態(tài)。由于其結(jié)構(gòu)簡單、可微縮性強(qiáng)、功耗低、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，憶阻器被認(rèn)為是下一代非易失性存儲器（NVM）和存內(nèi)計(jì)算的主要候選技術(shù)。憶阻器的核心工作機(jī)制是電阻開關(guān)（RS）效應(yīng)，即器件可以在高阻態(tài)（HRS）和低阻態(tài)（LRS）之間切換。Ga₂O₃ 作為一種超寬禁帶半導(dǎo)體，具有帶隙寬（約 4.9 eV）、擊穿場強(qiáng)大、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好以及可制備大尺寸高質(zhì)量單晶襯底等優(yōu)點(diǎn)，是下一代功率器件和光電子器件的理想材料。Ga₂O₃ 材料中固有的缺陷物理特性，特別是可移動的氧空位，使其成為構(gòu)建價態(tài)變化型憶阻器的理想材料。

2. 摘要

憶阻器是連接磁通量與電荷之間關(guān)系的紐帶。它可以記憶流經(jīng)它的電荷數(shù)量，斷電后也能記住其電阻狀態(tài)，因此受到廣泛的關(guān)注。在新興的超寬禁帶半導(dǎo)體材料中，氧化鎵（Ga₂O₃）因在高質(zhì)量單晶襯底生長方面的進(jìn)展而脫穎而出，被視為下一代功率和電子器件的潛力材料。本文綜述了 Ga₂O₃ 基憶阻器技術(shù)的關(guān)鍵進(jìn)展。首先闡述其在半導(dǎo)體演進(jìn)中的基礎(chǔ)地位，隨后探討了憶阻器中各種阻變機(jī)制的最新研究進(jìn)展，最后系統(tǒng)總結(jié)了 Ga₂O₃ 基憶阻器在非易失存儲、類腦計(jì)算、光電子等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。本綜述旨在為寬禁帶半導(dǎo)體器件研究人員提供有價值的參考資料，并推動 Ga₂O₃ 基憶阻器技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

3. 總結(jié)

基于 Ga₂O₃ 的憶阻器的發(fā)展已超越傳統(tǒng)非易失性存儲器領(lǐng)域，正穩(wěn)步向智能傳感、類腦計(jì)算及柔性可穿戴電子設(shè)備等多元化應(yīng)用場景邁進(jìn)。通過材料創(chuàng)新、多物理場協(xié)同控制及工藝優(yōu)化，這類器件有望突破傳統(tǒng)硅基技術(shù)的局限性，為實(shí)現(xiàn)低功耗、多功能、高度集成的新一代電子系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。隨著持續(xù)的研究與合作，Ga₂O₃ 憶阻器或?qū)槟茉锤咝?、多功能且高度集成的電子系統(tǒng)開辟一個新時代。

圖1. (a) Ag/Ga₂O₃/Si 器件電阻轉(zhuǎn)變過程的物理機(jī)制。Au/β-Ga₂O₃/WO₃/Ag 憶阻器器件在(b)正偏壓下的情況；(c)負(fù)偏壓下的情況。

圖2. 基于 Ga₂O₃ 的MIM結(jié)構(gòu)憶阻器。 (a) IGZO/Ga₂O₃/IGZO 電容器的光學(xué)透射率。插圖顯示了該結(jié)構(gòu)的示意圖配置；(b) 器件的耐用性性能。（c）Ag/Ga₂O₃/Pt 結(jié)構(gòu)的示意圖；（d）在雙極性電阻切換（BRS）和單極性電阻切換（URS）模式下，高電阻狀態(tài)（HRS）和低電阻狀態(tài)（LRS）的保持特性。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.181365

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號