RRAM
图3. RRAM存储器矩阵的单元电路图。图(a)为无源电路，图(b)为有源电路。
矩阵也可以采用有源单元设计，如图3（b）所示。由晶体管来控制阻变元件的读写与擦除信号可以良好隔离相邻单元的干扰，也与CMOS工艺更加兼容。但这样的单元设计无疑会使存储器电路更加复杂，而晶体管也需要占据额外的器件面积。
RRAM中的阻变元件一般采用简单的类似电容的金属-介质层-金属（MIM）结构，由两层金属电极包夹着一层介质材料构成。金属电极材料的选择可以是传统的金属单质，如Au、Pt、Cu、Al等，而介质层材料主要包括二元过渡金属氧化物、钙钛矿型化合物等，这在后文将会更加详细地讨论。由于对RRAM器件的研究主要集中在对电极材料以及介质层材料的研究方面，故而往往采用如图4所示的简单结构，采用传统的硅、氧化硅或者玻璃等衬底，通过依次叠合的底电极、介质层、顶电极完成器件的制备，然后于顶电极与底电极之间加入可编程电压信号来测试阻变器件的性能，这样的简单结构被大多数研究者所采纳。而简单的制备过
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程和器件结构也是RRAM被认为具有良好的应用前景的原因之一。
图4. 应用于RRAM器件研究的MIM结构。通过在顶电极和底电极之间施加电
压信号来研究RRAM器件的工作情况。
2.2 RRAM器件参数
基于以往对DRAM、SRAM、Flash等存储器器件较为成熟的研究经验，RRAM
器件的参数可以如下归纳总结并加以展望[28]： 1. 写（Write）操作参数Vwr，twr
Vwr为写入数据所需电压。与现代CMOS电路相兼容，RRAM的Vwr的大小一
般在几百mV至几V之间，这相对于传统需要很高写入电压的Flash器件来说有较大优势。twr为写入数据时间所需时间。传统器件中，DRAM、SRAM和Flash的twr分别为100ns、10ns和10us数量级。为了与传统器件相比显示出优势，RRAM的twr期望可以达到100ns数量级甚至更小。 2. 读（Read）操作参数Vrd，Ird，trd
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Vrd为读取数据所需电压。为了避免读操作对阻变元件产生影响，RRAM的
Vrd值需要明显小于Vwr。而由于器件原理限制，Vrd亦不能低于Vwr的1/10。Ird为读操作所需电流。为了使读取信号能够准确快速地被外围电路的小信号放大器所识别，RRAM的Ird不能低于1uA。trd为读操作所需时间。RRAM的trd需要与twr同等数量级甚至更小。 3. 开关电阻比值 ROFF/RON
ROFF和RON分别为器件处于关态与开态时的元件阻值。尽管在MRAM中，大小仅为1.2~1.3的ROFF/RON亦可以被应用，对RRAM的ROFF/RON一般要求至少达到10以上，以减小外围放大器的负担，简化放大电路。 4. 器件寿命
器件寿命指器件能够正常维持工作状态的周期数目。一般而言，NVM器件的工作寿命希望达到1012周期。因此，RRAM的器件寿命期望可以达到同等甚至更长久。 5. 保持时间tret
tret指存储器件长久保存数据信息的时间。对RRAM而言，数据一般需要保持10年甚至更久，而这过程中也需要考虑温度以及持续的读操作电压信号的影响。
以上介绍了RRAM的几个主要性能参数。各个参数之间看似相互独立，但事
实上各项之间却有着相互制约的关系，比如Vrd与Vwr的比值事实上被tret和trd所限制[28]。故而寻求高密度、低功耗的理想RRAM器件，需要从各个性能参数的角度共同考虑，寻求最佳的平衡点。
2.3 RRAM的阻变行为分类
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RRAM的阻变行为主要体现在其电流-电压曲线上。根据大量研究经验表明，基于不同材料的RRAM器件，其器件特性是有很多细节上的差别的，不过粗略地按照电流-电压曲线来区分，RRAM的阻变行为可以分为单极型（Unipolar）和双极型（Bipolar）两大类。这主要是由阻变行为出现时施加的电压极性及大小所区分的。而具体引起阻变行为的本质原因并没有非常确凿的定论，我们会在随后的章节中对其进行介绍、分析和讨论。
典型的单极型RRAM阻变行为的电流-电压曲线如图5(a)所示，阻变行为并不依赖于施加电压的极性，而表现出单极型阻变行为的RRAM器件也往往是上下电极对称的MIM结构。一般地，由于单极型循环阻变IV曲线不依赖于极性，故而我们只关注正向扫描周期。如图5(a)所示，假设初始RRAM器件位于开态，则当电压达到复位电压时，复位过程发生，器件迅速变为高阻态，即关态。此时继续正向扫描或者从零电压重新开始扫描，器件都会继续维持在关态，直到器件达到了置位电压，器件会由关态变为开态重新导通。以上循环过程可以不停重复直至RRAM器件失效。在单极型阻变行为的置位过程中，电流大小必须由限制电流（compliance current）值cc加以控制，否则将会导致器件发生不可恢复的击穿。而复位过程发生的电压低于置位电压，而复位过程时的临界电流要高于限制电流值cc。
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图5. 典型的(a)单极型和(b)双极型阻变行为示意图。cc是为了防止器件击穿而设置的限制电流
（compliance current）。单极型阻变行为并不依赖于施加电压极性，而双极型阻变行为的置位和复位过程会分别在施加不同极性的电压时产生。
典型的双极型RRAM阻变行为的电流-电压曲线如图5(b)所示，阻变行为的置位与复位过程分别在不同极性的偏压下发生。根据以往研究的资料，虽然这样的阻变行为一般由非对称的MIM结构所表现，但事实上，很多对称结构的MIM结构器件亦表现出了双极型的特性[30,31]，对这种现象的一个较为合理的解释为：一般RRAM器件需要一个初始化的“形成”过程来建立后续重复性的阻变行为，而这个“形成”过程所加的电压极性也一定程度上决定了后续的阻变行为。如图5(b)所示，为了防止器件在置位过程中突然产生的高额电流击穿器件，双极型RRAM的置位过程同样需要一个限制电流cc的保护。
除了典型的单极型和双极型，如果某RRAM器件可以在这两种类型的阻变行为之间进行转化，这样的阻变行为被称为无极型（Nonpolar）[32,33]。事实上，对RRAM进行阻变行为的分类只是基于电流-电压曲线的表现，而由于电极材料和介质材料的不同，即使是同种类型的阻变行为仍可能反映了几种截然不同的阻变机制，因此，仅从阻变行为并无法对RRAM进行更加深入的了解，在后文中即将介绍RRAM更加本质性的阻变机制。
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