CN102265397B - 忆阻设备以及制造和使用所述忆阻设备的方法 - Google Patents

Abstract

此处公开了一种忆阻设备。该设备包括：第一电极，第二电极，以及设置在所述第一和第二电极之间的有源区。在所述有源区中存在至少两个移动物种。所述至少两个移动物种中的每一个被配置成限定所述忆阻设备的单独状态变量。

Description

忆阻设备以及制造和使用所述忆阻设备的方法

技术领域

本公开总体上涉及忆阻设备，并且涉及制造和使用所述忆阻设备的方法。

背景技术

先前已报告了可以可逆地切换并且具有高达10³的接通到断开电导的纳米级交叉线开关设备。这样的设备已经被用于构造交叉杆（crossbar）电路并且为具有动态/突触逻辑的超高密度非易失性存储器和系统的创建提供有前景的途径。已由交叉线开关的串联连接制造了锁存器（其是用于逻辑电路并且用于逻辑和存储器之间的通信的重要部件）。也描述了完全由开关的交叉杆阵列构造或者作为包括开关和晶体管的混合结构的新逻辑系列。这些新的逻辑系列具有显著提高CMOS电路的计算效率的潜力。

附图说明

通过参考下面的详细描述和附图，本公开的实施例的特征和优点将变得显而易见，在下面的详细描述和附图中相似的附图标记对应于相同或者相似（尽管可能不相等）的部件。为了简洁起见，可能结合具有先前描述的功能的附图标记出现的后续附图或者可能不结合它们来描述所述附图标记。

图1A是连接两个不同的交叉线的固态电气致动（electrically actuated）开关的实施例的透视图；

图1B是示出也被称为交叉杆的图1A的开关阵列的透视图；

图2是此处公开的忆阻设备的实施例的示意性横截面图；

图3A至图3C是设备以及对应的电流-电压曲线图的实施例的示意图；

图4A和图4B是经历阈值切换事件的导带以及对应的电流-电压曲线图的示意图；

图5A和图5B示意性地描述在致动之前和之后的设备实施例的有源区中的杂质带，由此在致动之后产生新的状态；以及

图6A和图6B示意性地描述在致动之前和之后的设备的另一实施例的有源区中的杂质带，由此在致动之后现有的状态被钝化。

具体实施方式

在此处所公开的设备的实施例包括位于两个电极之间的有源区。金属电极和半导体有源区之间的接触区形成用于电流载体（例如电子或空穴）的肖特基势垒。至少两个移动离子物种（ionic species）被引入到了有源区，并且这样的物种可以被调节以实现期望的界面性质（例如诸如电势/肖特基势垒高度和/或宽度）或者期望的体积性质（例如诸如传导或杂质带输送）。

在此处所公开的实施例中，所述至少两个物种（它们中的一些是离子）具有不同的移动性、不同的浓度、不同的电荷状态、相反的电荷、不同的化学性质、不同的物理性质（例如活化能垒）或其组合。因此，当该物种在电场和/或升高的温度下漂流和/或扩散通过整个有源区或部分有源区时，将改变该设备的状态变量。要了解的是，在制造期间，此处所公开的设备可以被调节成实现期望的电气性质。

在一些实施例中，此处所公开的设备是可配置的，意味着它可以经由可逆的过程而多次改变其状态。换句话说，此处所公开的设备可以被开启和关闭多次，例如非易失性随机存取存储器（RAM）中的存储位。在其他实施例中，此处所公开的设备可以是可单独配置的，意味着它可以经由不可逆过程来改变其状态一次。这样的开关可以例如是可编程只读存储器（PROM）的基础。要理解，此处所公开的多状态可变设备表现了许多不同的中间状态，其可以适合于多位存储。

当与由单个状态变量表征的忆阻器比较时，此处所公开的设备具有由更高维度空间限定的更高的自由度。所增加的维度提供增加的状态集，从而提供具有附加能力（例如逻辑电路应用）的设备。

在忆阻器中，欧姆定律（即偏置电压V和电流I之间的关系（V=R*I））是忆阻性M[q]而不是欧姆电阻的非线性动态函数，其中q是穿过忆阻器的电荷。由此，

V(t)=M[q(t)]*I(t)             （等式1）

忆阻性提供了穿过设备的电荷q和与偏置电压V共轭的磁通量（                                                ）之间的函数关系，其中M=d/dq和。在时间t上通过的电荷q通常被看作忆阻设备的状态变量。本发明人已发现通过将多种移动物种结合到忆阻设备中，可以实现不同的状态变量q₁、q₂、…q_n。在这种情况下，实现下面的函数关系：

                  （等式2）

其中包括离子物种（1…n）的非常不同的移动性。

图1A和图1B分别描绘了已知的固态电气致动的开关100和已知的交叉杆阵列1000。在图1A中，两种不同的交叉线或电极12、14在其之间具有切换结（switch junction）16。该切换结16包括初级有源区16a和次级有源区16b。在一个实施例中，初级有源区16a是一种电子半导电和弱离子导体二者的材料，所述离子导体可以被掺杂电子施主作为空位或替位杂质。在另一实施例中，初级有源区16a的材料是名义上电气绝缘并且弱离子导体。次级有源区16b是一种作为掺杂物种的源和宿（sink）的材料。如图1A所示，切换结16还可以包括分子层16c，作为共价或非共价键合的界面，在此处分子层16c包括可以是或可以不是可切换的分子。电极12、14中的一个或两个可以是金属或半导体材料。在一些情况下，这两个电极12、14是金属。

交叉杆阵列1000还可以被形成为包括多个如在图1A中示出的固态电气致动的开关10。如图1B所示，近似平行的电极12的第一层18由近似平行的电极14的第二层20覆盖。第二层20在方位上与第一层18的电极12大致垂直。然而，要理解，层18、20之间的方位角可以改变。电极12、14的两个层18、20形成晶格或交叉杆。第二层20的每个电极14覆盖第一层18的所有电极12，并且在表示两个电极12、14之间的最紧密接触的电极交点处与第一层18的每个电极12紧密接触。切换结16被示出在这些接触点处放置在电极12、14之间。尽管示出了三个这样的切换结16，但是要理解，在电极12与电极14的每个交点处形成切换结16。这样的交叉杆1000可以由微米、亚微米或纳米级线制造，这取决于应用。

尽管在图中示出了具有方形或矩形截面的单独电极12、14，但是电极12、14还可以具有圆形、椭圆形或更复杂的截面。电极12、14还可以具有许多不同的宽度或直径以及纵横比或离心率。

如公知的那样，这样的开关100可以被用作存储器（例如位信息（1或0）的存储），被用作交叉点存储器中的闭合或开启的开关，以用于组装现场可编程门阵列的逻辑电路中的配置位，或者被用作有线逻辑可编程逻辑阵列的基础。这些开关100还能够用于各种各样的其他应用中。在此处公开的设备10（参见图2A和2B）和10’（参见图3A和3B）的实施例类似于开关1000。

现在参考图2，描绘了忆阻设备10的一个实施例。如所示的那样，设备10包括第一和第二电极12、14以及其之间的有源区22。设备10可以被横向或垂直构造。在图2中所示的示例中，设备10被垂直构造并且因此电极12、14分别是底部和顶部电极。然而，如先前所描述的那样，设备电极12、14可以是横向设备内的第一和第二电极。

作为非限制示例，可以使用传统技术（例如影印平版印刷或电子束平版印刷）或通过更先进的技术（例如压印平版印刷）来制造底部电极12。在一个实施例中，底部电极12的厚度从约5nm变化到约30nm。底部电极12可以是任何适合的导电材料，例如金、铂、铝、银、钨、铜等等。

如图2所示，在底部电极12上建立有源区22。有源区22用作设备10的切换结（类似于此处前面简单描述的切换结16）。在此处公开的实施例中，有源区22能够运送并且托管移动物种24、26以控制电子通过设备10的流动。设备10的基本操作模式是跨越设备10应用足够大的电场（漂移场，其可以超过用于使得一种或多种物种24、26能够在有源区22中运动的某一阈值）和/或升高的温度以使得至少具有较高移动性的物种24、26被经由离子运送非线性地在整个有源区22中运送。

在其他忆阻设备中，在有源区（例如氧空位）中利用单个移动离子物种，并且移动物种的移动改变有源区的导电性，从低导电性（即非掺杂的半导体或绝缘体-断开配置）到高导电性（被掺杂以提供更高的导电性-接通配置）或者从高导电性到低导电性（接通到断开）。这样的突然变化在I-V曲线中展现出非常显著的滞后现象。在这样的设备中，想得到的滞后现象的机制包括设备的内部微结构中的突然变化，例如非均匀变化（例如导电沟道的形成和消失）或者接触界面处的强变化。这样的变化可能包括设备内部单个移动离子种类的重新分布，其导致设备的电阻率的变化。例如，氧空位聚集在一起并且形成用于简化的电子流的相当导电的区域（例如细丝和枝状细丝结构）。

在此处所公开的实施例中，另一移动物种到有源区22的添加产生用于两个移动物种24、26中的较轻者的移动的级（即特定的静电电势）。一般来说，在两个移动物种24、26的移动性之间存在相当大的差异（即至少约一个数量级）。更具体地，移动性之间的差异使得较少移动的物种可以在足够强的场中被重新配置，但是不参加由移动较多的物种提供的电荷运送。在设备10致动时，物种24、26中的一个或两个在有源区22中被重新布置，这使得能够实现特定可变的状态。要理解，两个或更多不同移动物种24、26的性质（例如移动性、浓度、电荷、电荷状态等等）可以被改变以便控制可以实现的状态变量。要理解，将在下面进一步描述移动物种24、26。

有源区22是电子地半导电或名义上电气绝缘并且是弱离子导体的材料的薄膜（例如等于或小于500nm）。要理解，弱离子导体的定义取决于设备10被设计成用于的应用。晶格中的物种的移动性和扩散常数经由“爱因斯坦关系式”而彼此成正比例。因此，如果晶格中的物种的移动性非常高，则扩散常数也高。一般来说，期望使设备10保持特定状态（通或断）一定时间量，根据应用，所述时间量可以从不到一秒到若干年。因此，在一个实施例中，这种设备10的扩散常数足够低以确保期望水平的稳定性，从而避免无意地将设备10经由物种24、26扩散从一个I-V状态转化到另一个，或者从通到断（或者反之亦然）；而不是有意地利用电压脉冲来设置设备10的状态。因此，“弱离子导体”是这样的导体，其中物种移动性以及由此扩散常数足够小以确保在期望的条件下（例如设备10不因为移动物种24、26的扩散而改变状态）设备10的通或断状态稳定达所需要的那么长的时间。

这样，有源区22材料被选择以使得移动物种24、26漂移到有源区22中或之外是可能的，但是不太容易做到。这通常确保设备10将处于所设置的任何状态达相当长的时间。这还对设备10是非易失性的（即它在漂移场已被移除之后保持其状态）做出贡献。在一些情况下，设备10是两端设备-对设备10应用高偏压使得电子电流和离子电流二者都流动，而在低偏压处，离子电流的流动是可忽略的，这允许设备10保持其电阻状态。

用于有源区22的适当材料的非限制性示例包括硅、过渡金属、稀有金属或碱土金属的氧化物、硫化物、硒化物、氮化物、磷化物、砷化物、氯化物、碘化物和溴化物。然而，要理解，存在展现期望的性质组合的各种各样的材料：电子半导电的或绝缘的和弱离子导体，以使得能够通过漂移将移动物种24、26注入有源区22、射出有源区22、和/或在有源区22中移动。

一般来说，相对于可以电掺杂半导体的移动物种24、26也是弱离子导体的任何半导电材料（构成有源区22）将在此处公开的实施例中工作。换句话说，用于有源区22的可能的切换化合物是对键合有显著离子贡献的半导电化合物。在非限制性示例中，有源区22是未被掺杂的并按照化学计量的材料，并且移动物种24、26具有高浓度的阴离子或阳离子空位和包含在相同或相关亲本材料的层中的阴离子或阳离子。

如先前所提到的那样，在一个实施例中，用于有源区22的材料选自过渡和稀土金属的氧化物、硫化物、硒化物、氮化物、磷化物、砷化物、氯化物、碘化物和溴化物，其中碱土金属通常存在于化合物中。此外，存在类似化合物彼此的各种合金，如果它们彼此互相可溶则其提供大范围的组成。还存在混合的化合物，其中存在与一些电负性元素结合的两种、三种或更多种不同的金属原子。

用于有源区22的材料（包括元素Ti、Zr和Hf）因为它们可以与Si集成电路技术兼容而特别有吸引力，因为所有三种金属的初级氧化态是+4，与Si相同。因此，这些元素将不会产生Si的非有意掺杂。这些化合物的氧化物分别也被称为氧化钛、氧化锆、和氧化铪，并且还通过特定于每一个的各种多型体的其他名称来命名。又一实施例包括成对的或三种同时存在的三种氧化物的合金（例如Ti_xZr_yHf_zO₂，其中x+y+z=1）。相关的化合物集合包括钛酸盐、锆酸盐和铪酸盐，它们由特定示例SrTiO₃表示，其中Sr是二价元素锶。存在各种各样的这种化合物，其中Ca、Ba和其他二价元素（例如Mg、Zn、Cd）可以代替Sr，并且Zr和Hf代替Ti。这些化合物可以被表示为ABO₃化合物，其中A是至少一个二价元素，并且B是Ti、Zr和Hf中的至少一个，并且可以具有钙钛矿结构。

还有可能利用这些各种化合物的合金，例如Ca_aSr_bBa_cTi_xZr_yHf_zO₃，其中a+b+c=1并且x+y+z=1。还存在各种各样的可以被单独使用并且作为更复杂的化合物来使用的具有不同化合价的过渡金属和稀土金属的其他氧化物。

适用于有源区22的化合物的另一实施例包括具有某些电离键合特性的过渡金属的硫化物和硒化物，尤其是上面提到的氧化物的S和Se类似物。适用于有源区22的化合物的又一实施例包括半导电氮化物，例如AlN、GaN、ScN、YN、LaN、稀土氮化物以及这些化合物以及更复杂混合的金属氮化物的合金。适用于有源区22的化合物的再一实施例包括半导电卤化物（例如CuCl、CuBr和AgCl），或者各种过渡和稀土金属（例如Sc、Y、La等）的磷化物和砷化物。

还要理解的是，有源区22可以包括从上述示例选择的不同材料或化合物的子层。

适合的有源区22的沉积技术包括传统的物理和化学技术，包括来自加热源（例如灯丝或努森池）的蒸发，来自坩埚的电子束（即e-束），来自目标的溅射，其他形式的蒸发、化学气相沉积（CVD）、分子束外延，原子层沉积或者各种其他形式的从活性前体生长的化学蒸汽或束。适当的沉积或生长条件（例如速度和温度）可以被选择以实现期望的化学组成和有源区22所期望的局部原子结构。

在设备致动之前（图2），有源区22包括所述至少两个移动物种24、26。在该状态中，物种24、26通常在空间上是不均匀的。尽管有源区22被描述为建立在电极12、14之间，但是要理解移动物种24、26可以是在有源区22的整个体积或者仅仅特定体积（例如一个电极12、14以及有源区22内的电子形成的沟道的尖端之间）内活动的/移动的，只要物种24、26能够在外部偏置电压下改变它们的空间分布（具有或不具有特定阈值）。

移动物种24、26可以是离子物种（例如阳离子、阴离子、带电的空位）或者捕获的电子或空穴（例如在有源区22的深中间能隙状态中捕获的）。离子物种的非限制性示例包括带电的氧空位、铬离子（Cr²⁺）、镍离子、氢离子、锂离子、银离子、铍离子、钠离子、镁离子、钾离子、钡离子等等。要理解，两种不同的离子物种可以结合到有源区22中，或者一种离子物种可以被引入到在其中具有缺陷捕获的电子或空穴的有源区22中。此外，要理解，选择的物种24、26将至少部分取决于为有源区22选择的材料，并且可以利用不同于此处所列出的那些的物种24、26。在图2中示出的物种24、26是具有不同移动性的电性相反的物种。

如上文所提到的那样，所选择的移动物种24、26具有不同的移动性、不同的浓度、不同的电荷状态、相反的电荷、不同的化学性质或其组合。这样的物种24、26被选择以使得物种24、26中的至少一个（在某些情况下，两个物种24、26中的较慢的一个）遍及有源区22的运送是非线性的。这样的移动使得能够获得唯一的状态变量。要理解，在某些实施例中，设备10是二进制系统，其中移动物种26、24中的一个（例如两个移动物种的较快的一个）将为另一个移动物种24、26（例如两个移动物种中较慢的一个）的移动设置级。在某些情况下，所述至少两个移动物种26、24中的一个的移动性通常是比所述至少两个移动物种24、26的另一个的移动性大至少约一个数量级。然而，要理解，每个物种24、26的移动性至少部分取决于施加于设备10的温度和场。如在本文下面的等式3中阐述的那样，可以使用特定物种的跳跃活化能量来确定移动性。例如，用于TiO_2-x中的Li或Ti间隙缺陷的活化能量大约是0.4eV（电子伏特）并且用于TiO_2-x中的氧空位的活化能量大约是1.1eV。将这些值插入下面的等式3使得可以计算每个物种的移动性。在该示例中活化能量中的该差异转换成与在室温中Li或Ti间隙缺陷相比较来说氧空位低大约12个数量级的移动性。

在一个非限制示例中，Cr²⁺阳离子可以与氧空位一起包括在至少一部分有源区22中。在被暴露于预定电场和/或温度时，氧空位将在由Cr²⁺阳离子产生的场中移动。要理解，阳离子的浓度分布可以改变以便改变氧空位的移动。这样，通过在包含氧空位的有源区22中配置Cr²⁺阳离子，设备10的I-V特性可以被控制。有源区22中的Cr²⁺阳离子的分布然后可以由外部脉冲来控制，由此将设备10从一个I-V状态切换到另一个。因为物种24、26（在该实例中，氧空位和Cr²⁺阳离子）的移动性非常不同，所以在Cr²⁺阳离子的初始移动之后，与氧空位相比这样的阳离子将是相当静态的。

在另一非限制示例中，两个物种24、26可以具有相似的移动性，但不同的浓度、电荷状态、化学性质或其组合。在这样的情况下，物种24、26的移动将被耦合，由此提供具有两个耦合状态变量的设备10。具有不同移动性的等电子物种24、26的非限制示例包括Ti⁴⁺和Li⁺，Ti⁴⁺和Na⁺，Ti⁴⁺和Ba²⁺，Cr²⁺和Na⁺，或Be²⁺和Ba²⁺。

在又一个非限制性示例中，物种24、26具有不同的移动性并且是电性相反的（如图2所示）。这些物种24、26（例如受主和施主）的移动将受到期望电气中性系统的库仑力的强烈影响。在这样的情况下，导致双极性的扩散，其中有效扩散系数近似于两个物种24、26中的较慢的一个的扩散系数。该设备10可以被表征为具有两个强耦合的状态变量。图2特别图示外部电场下的电性相反的物种24、26以及移动的方向。

在又另一示例中，物种24、26具有相同的电荷但是具有不同的移动性。在一个状态变量中，物种24、26被局部化，例如邻近于电极24、26中的一个。在致动时（即暴露于预定偏置电压达相对短的时间），两个物种24、26中的较快的一个朝向电极14、12中的另一个漂移，由此设备10处于第二状态。在该特定情况下，还可能适合于使用浓度分布而不是电荷来将状态变量与移动物种24、26相关联（即通过指定大多数特定物种24、26存在于设备10中的哪些位置）。例如，如果每个物种24、26具有各自的浓度分布N₂₄（x，y，z）和N₂₆（x，y，z）（其中x,y,z是空间坐标），则与每个物种相关联的状态可以是浓度的质心，即：

物种24的状态=矢量（<x>,<y>,<z>）,其中

以及

以及

物种26的状态=矢量（<x>,<y>,<z>）,其中

以及

。

为了在处于物种26的状态时活化（即，使移动物种26移动）该示例的设备10，物种24的状态被强制成某一其他值。在其他情况下，适合于通过使用特定位置（例如设备10内的界面附近（电极12、14和有源区22之间）中的浓度来将状态变量与移动物种24、26相关联。

一般来说，有源区22包括两个或更多移动物种24、26而没有任何其他掺杂物。然而，在一些情况下，除了移动物种24、26之外，可以期望有源区22还包括本底掺杂物分布。这样的掺杂物分布被认为帮助控制移动物种24、26的动态以及要实现的设备的非线性电导的类型。这样的本底掺杂物分布通常是固定的非均匀掺杂物。在非限制性示例中，本底掺杂物分布可以是受主掺杂物（例如TiO₂有源区中的碳或氮掺杂），并且物种24、26是施主物种，例如氢或锂阴离子和带负电的氧空位（其中阴离子具有比氧空位更高的移动性）。

在一些实施例中，本底掺杂可以使费米能级偏移，并且结果使移动物种24、26中的一个或两个的电荷状态偏移。电荷状态可以改变以高度非线性方式跳跃的离子的活化能量。例如，对于TiO_2-x中的间隙离子Ti⁴⁺和Ti¹⁺的跳跃活化能量差异大约0.3eV,而且移动性以指数的方式取决于活化能量：

移动性≈exp（-U/k_BT）*exp(aqE/k_BT)    等式（3）

其中U=活化能量，T=温度，k_B=玻尔兹曼常数，a=晶格距离，q=元电荷，并且E=材料中的净电场。这样，可以通过改变物种24、26中的一个的电荷状态来调制该物种的移动性。例如，氧空位可以被一个深的和一个浅的水平来充电。扩散活化能量（以及由此离子移动性）可以从+1改变到+2状态。电荷状态取决于局部化学电势，并且因此可以经由其他移动物种26、24和/或本底掺杂物的存在来增加或减少。

在其他实施例中，本底掺杂可以改变有源区22的整体电阻率，这将导致改变局部功率耗散，由此局部降低或增加自加热效应。根据上面的等式3，物种24、26的移动性非线性地依赖于温度，这样，自加热中的变化可以影响物种24、26的移动性。

在建立有源区22时，沉积或以其他方式引入所利用的任何本底掺杂物。

在一些情况下，移动物种24、26在有源区22的建立期间或之后被引入到有源区22中。在其他情况下，有可能在设备10编程期间引入来自单独区（未示出）的移动物种24、26。当从单独的区引入时，这样的引入可以在区22已建立在电极12上之前或之后发生。这至少部分取决于设备10的几何结构（例如有源区22是在包含移动物种24、26的单独区下方还是上方）。适合于将移动物种24、26引入到有源区22的技术的某些非限制性示例包括下述各项：i）将移动物种24、26中的一个或二者植入到有源区22中（在其建立期间或之后）；或者ii）扩散来自气体源或前体的移动物种24、26（在有源区22的建立期间或之后）；或者iii)将移动物种24、26植入到邻近于所建立的有源区22的区（未示出）中并且然后扩散来自邻近区的移动物种24、26。在非限制性示例中，将物种扩散到有源区22中可以经由暴露于热而完成。在另一个非限制性示例中，离子植入可以例如经由离子枪来实施。在又一个非限制性示例中，当气体源或前体被利用时，气体可以在碰撞到有源区材料上之前被离子化。

一旦有源区22和移动物种24、26被建立，顶部电极14被建立在有源区22上。顶部电极22可以是与底部电极12相同的材料或不同的材料，并且可以经由用于建立底部电极12的相同或不同技术而被建立。在一个示例中，顶部电极14被电子束蒸发器蒸发。顶部电极的厚度也通常从约5纳米变化到多至几百纳米。

如先前所提到的那样，设备10可以通过暴露于预定电场和/或升高温度而被致动。在某些情况下，当温度升高时施加电场。在其他情况下，电流流过设备10的结果是温度升高（例如自加热）。所施加的电场和温度将至少部分取决于所选择的移动物种24、26，它们的浓度，它们在有源区22中的配置（例如状态），以及任何本底分布。这样，将根据一个或多个所列出的因素来选择外部电压或电流。温度还可以取决于局部电阻率，并且结果取决于局部自加热。在某些情况下，期望从外部源来施加热量。

一旦设备10被致动，具有较高移动性的移动物种24、26将在有源区22中比具有较低移动性的移动物种26、24漂移（归因于电场）和/或扩散（归因于升高的温度）得更快。这样的移动将改变设备10的状态变量。要理解，其它性质（例如浓度、电荷和/或电荷状态、化学性质等等）也将限定所实现的状态变量。

通常期望物种24、26的运送与电场或温度或电荷状态是非线性的。物种24、26中的至少一个的移动在设备10被暴露于预定电场时开始。要理解，例如当满足下式时，

qEa>k_BT       （等式4）

电场可以足以引起非线性运送，其中T＝温度，k_B=玻尔兹曼常数，a=晶格距离，q=元电荷，并且E=材料中的电场。在某些情况下，物种24、26的非线性移动通过引入新的状态（参见例如图5A和5B，在下文所讨论的）或者钝化现有的状态（参见例如图6A和6B，在下文所讨论的）来影响设备10的体积性质。在其它情况下，物种24、26的非线性移动影响界面性质（也在下文进一步讨论）。

图3A图示设备10的非限制示例以及设备10的对应电压（V）与电流（I）之间的关系的曲线图。在此处所讨论的所有实施例中，要理解I-V取决于两个物种24、26中较慢的一个的位置。

在图3A所示的实施例中，每个物种24、26可以具有各自的浓度分布N₂₄（x，y，z）和N₂₆（x，y，z）（其中x,y,z是空间坐标），并且与每个物种24、26相关联的状态可以是浓度的质心。物种24、26的浓度分布还可以是其中存在相对恒定的值以及在特定位置（其是一个状态变量）处存在到零的骤减的阶梯函数。在该实施例中，偏置电压的应用将改变状态变量的位置。

在一些情况下，当施加“小的”电压或电流时，意味着电压或电流不足以对于给定的初始或平衡较快的移动物种26、24浓度分布而开始移动物种24、26的较慢的一个的运送的非线性状态。然而，这样的小电压或电流足以移动移动物种26、24中的较快一个。快移动物种26、24浓度分布中的小变化将不会影响慢物种24、26，并且一旦移除电压或电流，较快的移动物种26、24将安置于原始状态。然而，快物种26、24可以遍及有源区22移动得足够远以便增加电场或电流或者改变电荷状态，从而导致较慢物种24、26的非线性运送，如在图3B中示出的那样。一旦被移动，较慢移动的移动物种24、26将不会再次改变位置，除非设备10被再次致动。在这样的情况下，可以利用比用于移动较快移动的移动物种26、24的偏压更小的偏压来读取设备10（在图3A的I-V曲线图中示出小偏压或电流的非限制性示例）。

在图3C中，示意图图示新的状态（在物种24、26移动之后），并且I-V曲线图中的虚线图示针对新状态的I-V曲线。

要理解，所施加的电压或电流将至少部分依赖于所选择的有源区22和物种24、26，所形成的导电沟道的几何结构，设备10的热性质，有源区22和电极12、14的厚度、较慢的移动物种24、26的任何活化势垒等等或者其组合。作为非限制示例，小的电压是足够低的，以便不会使得电场超过从约1MV/cm到约5MV/cm，并且电流足够低以使得不会在设备10内造成焦耳加热。

物种24、26的较慢的一个的非线性移动可以通过如上所述两个物种26、24中的较快一个的漂移而被活化。非线性移动还可以经由强制进行电压或电流阈值切换来实现。在图4A和4B中示出了这样的非线性移动的非限制示例。在该示例中，示出在阈值切换事件之前（图4A）和之后（图4B）的导带32。如图4B中所示的那样，可以通过利用两个移动物种26、24（其非限制性示例包括电子）中的较快的一个来填充深的陷阱能级30（在下文中被称为深能级缺陷）来达到高的电场或电流。填充深的陷阱能级30引起阈值切换事件，其使得移动物种24、26中的较慢一个随后在暴露于比电压阈值更大的偏压时被移动，如图4B中的曲线图所示。

要相信，在一个实施例中，当较快的移动物种26的注入速率比其在设备10内的移动速率更大时出现阈值切换事件。图4A示出分别具有浅的和深的能级缺陷28、30的带图。要理解，在其它情况下，可以存在连续的能量状态。在该示例中，较快物种26的移动性（以及因此材料传导性）将取决于其能量。当施加外部电压时，较快的物种26将以速率R1隧穿界面（例如肖特基势垒）进入导带32。如果材料22中的平衡费米能级接近于深陷阱30的能量，则隧穿的较快的物种26将在深陷阱30放松并且缓慢地以速率R2朝向右边的电极（未在该图中示出）移动（跳跃）。对于小的偏压，R2>R1并且电场大致均匀，而设备10电导与注入速率R1成比例。当增加偏压时，速率R1变得比速率R2更大，这意味着所有深陷阱30将被较快的物种26（即以比移除物种26的速率更快的速率注入该物种26）快速填充，因此将准费米能级提升到接近浅能级。在新的准费米能量处，较快的物种26是非常活动的，并且该区的对应电导是非常高的。因此，几乎所有电场都将遭遇（dropped across）肖特基势垒，使得势垒更低。

在当R1变得大于R2的点处，将存在电流的骤升（参见图4B的I-V曲线图）并且还存在相应电极12、14和有源区22（参见图4B的导带）之间的界面上的电场的骤升。高电流和高场二者可以被用来调制较慢电离移动物种24的移动性，如上文讨论的那样。

物种24、26中的一个或多个的非线性移动/运动调制设备10的电子电导。在一些情况下，设备10的界面性质的调制是期望的。各个电极12、14和有源区22之间的一个界面或两个界面处的电阻可以经由肖特基势垒调制而被连续调节。在这种情况下，界面偶极层（未示出）可以被置于底部电极12和有源区22和/或顶部电极14和有源区22之间的界面处。界面偶极层可以包括界面间隙和界面表面状态，其与有源区22的体积能量相比具有作为能量函数的不同的状态密度形状。当存在界面状态时，这样的状态可以是非相互作用的（即由有源区22限定）或可以是相互作用的（即由电极12、14和有源区22限定）。在其它情况下，可以存在界面间隙而不存在界面状态。界面偶极层通常根据所施加的电压而呈现势垒高度。

在其它情况下，可以通过经由浅移动物种24、26的添加补偿任何本底固定的掺杂，或通过结合能够调制杂质带的深能级移动物种24、26来调制设备10的体积性质。如此处所使用的那样，浅移动物种的浅能级接近于导带（或价带），即相对于导带边缘来说其能量差小于k_BT（玻尔兹曼常数乘以温度）。还如此处所使用的那样，深能级移动物种的深能级与浅能级相对，即能量差远大于k_BT。如图5A和图5B示意性示出的那样，深能级移动物种24、26可以在设备10致动之后在杂质带内产生新状态。例如，在一些情况下，当金属离子（例如Ni⁺，Li⁺）在有源材料22内移动时它们引入新的深电子能量状态。如在图6A和6B中示出的那样，深能级移动物种24、26可以在设备10致动之后钝化杂质带内的现有状态。例如，氢离子（通常非常活动的）趋向于钝化硅中的悬空键。

尽管未在图2中示出，但是要理解可以在基底上建立任何一个电极12、14。一般来说，当基底被利用时，它是绝缘基底，例如二氧化硅、氮化硅、氧化镁、钛酸锶、玻璃等等。

而且，尽管未在图2中示出，但是要理解可以在基底和邻近于这种基底的顶部电极或底部电极12、14之间建立粘附层。一般来说，这样的粘附层增强基底以及随后建立的邻近电极12、14之间的键合。在一些情况下，粘附层可以是用于有源区22的移动物种24、26中的至少一个的源，当其暴露于某些条件时扩散通过邻近电极12、14。认为适合于粘附层的材料的非限制性示例包括钛、铬、铝、镁、锌、铌、钽、锰、钒、皓、钌或铪。当粘附层被利用时，可以经由任何适当的技术（例如喷溅、e束蒸发、分子束外延、化学气相沉积（CVD）、或原子层沉积（ALD））来在基底或电极12、14上建立粘附层。要理解，如在图2的实施例中示出的那样，如果需要粘附层可以被省略。还将理解，当该层仅被用作移动物种24、26的源时，这样的层可以邻近于任何电极12、14（或邻近于侧电极，未示出）而放置。

条款1：一种忆阻设备，包括：

第一电极；

第二电极；

设置在所述第一和第二电极之间的有源区；以及

在所述有源区中存在的至少两个移动物种，所述至少两个移动物种中的每一个被配置成限定所述忆阻设备的单独状态变量。

条款2：如条款1所述的忆阻设备，其中所述至少两个移动物种的每一个是离子物种，或者其中所述至少两个移动物种之一是离子物种并且所述至少两个移动物种中的另一个是移动捕获的电子或空穴。

条款3：如前述任一条款所述的忆阻设备，其中所述至少两个移动物种具有不同的浓度、不同的移动性、不同的电荷状态、相反的电荷、不同的化学性质或其组合。

条款4：如条款3所述的忆阻设备，其中所述至少两个移动物种具有不同的移动性，并且其中所述至少两个移动物种中的一个的移动性比所述至少两个移动物种中的另一个的移动性大至少一个数量级。

条款5：如前述任一条款所述的忆阻设备，其中所述有源区具有控制所述至少两个移动物种的动态的本底掺杂分布。

条款6：如条款5所述的忆阻设备，其中所述有源区的本底掺杂分布是静态的。

条款7：如前述任一条款所述的忆阻设备，其中所述至少两个移动物种的每一个都独立地选自带电的空位、阴离子、阳离子、电子以及空穴。

条款8：如前述任一条款所述的忆阻设备，还包括定位在i）第二电极和有源区之间的界面处，ii）第一电极和有源区之间的界面处，或者ii）i和ii二者的界面偶极层。

条款9：如前述任一条款所述的忆阻设备，其中当所述至少两个移动物种暴露于预定电场时，所述至少两个移动物种以不同的速率漂移通过有源区。

条款10：如前述任一条款所述的忆阻设备，其中在预定电场下所述设备是可逆的。

条款11：一种用于使用如前述任一条款所述的忆阻设备的方法，所述方法包括：

将有源区暴露于预定的电场，由此使得至少两个移动物种以不同的速率漂移通过所述有源区以形成与所述设备在这样的暴露之前的状态变量不同的状态变量。

条款12：如条款10所述的方法，其中所述预定电场具有低电压和小电流，其中暴露使得所述至少两个移动物种中的一个以与所述至少两个移动物种中的另一个不同的移动速率移动，并且其中所述方法还包括：

移除所述预定的电场，由此使得所述至少两个移动物种中的一个移回到平衡状态。

条款13：一种用于制造如条款1至10中的任一项所述的忆阻设备的方法，所述方法包括：

将所述至少两个移动物种引入到有源区；以及

将所述有源区暴露于电场或升高的温度中的至少一个，由此使得所述至少两个移动物种以不同的速率漂移通过有源区的附加部分，并且改变所述忆阻设备的状态变量。

条款14：如条款13所述的方法，其中所述至少两个移动物种的漂移引入新状态或者钝化现有状态。

条款15：如条款13或14任一项所述的方法，其中在暴露之前，所述方法还包括：

在第一和第二电极之间建立有源区；以及

与建立有源区同时地或者在建立有源区之后引入所述至少两个移动物种，其中通过以下方式来完成独立地引入所述至少两个移动物种：i)将至少两个移动物种中的至少一个植入到有源区或与其直接或间接邻近的区中；或者ii）将来自气体源或前体的至少两个移动物种中的至少一个扩散到有源区或与其直接或间接邻近的区中；或者iii）将所述至少两个移动物种中的至少一个植入到邻近于所建立的有源区的区中，并且然后扩散来自所述邻近区的第一或第二掺杂物中的至少一个。

尽管已经详细描述了若干实施例，但是本领域技术人员将会认识到所公开的实施例可以被修改。因此，前述描述被认为是示例性而非限制性的。

Claims (14)

1.一种忆阻设备，包括：

第一电极；

第二电极；

设置在所述第一和第二电极之间的有源区；以及

在所述有源区中存在的至少两个移动物种，所述至少两个移动物种中的每一个被配置成限定所述忆阻设备的单独状态变量；

其中所述至少两个移动物种具有不同的浓度、不同的移动性、不同的电荷状态、相反的电荷、不同的化学性质或其组合。

2.如权利要求1所述的忆阻设备，其中所述至少两个移动物种的每一个是离子物种，或者其中所述至少两个移动物种之一是离子物种并且所述至少两个移动物种中的另一个是移动捕获的电子或空穴。

3.如权利要求1所述的忆阻设备，其中所述至少两个移动物种具有不同的移动性，并且其中所述至少两个移动物种中的一个的移动性比所述至少两个移动物种中的另一个的移动性大至少一个数量级。

4.如权利要求1所述的忆阻设备，其中所述有源区具有控制所述至少两个移动物种的动态的本底掺杂分布。

5.如权利要求4所述的忆阻设备，其中所述有源区的本底掺杂分布是静态的。

6.如权利要求1所述的忆阻设备，其中所述至少两个移动物种的每一个都独立地选自带电的空位、阴离子、阳离子、电子以及空穴。

7.如权利要求1所述的忆阻设备，还包括定位在i）第二电极和有源区之间的界面处，ii）第一电极和有源区之间的界面处，或者ii）i和ii二者的界面偶极层。

8.如权利要求1所述的忆阻设备，其中当所述至少两个移动物种暴露于预定电场时，所述至少两个移动物种以不同的速率漂移通过有源区。

9.如权利要求1所述的忆阻设备，其中在预定电场下所述设备是可逆的。

10.一种用于使用如权利要求1所述的忆阻设备的方法，所述方法包括：

将有源区暴露于预定的电场，由此使得至少两个移动物种以不同的速率漂移通过所述有源区以形成与所述设备在这样的暴露之前的状态变量不同的状态变量。

11.如权利要求9所述的方法，其中所述预定电场具有低电压和小电流，其中暴露使得所述至少两个移动物种中的一个以与所述至少两个移动物种中的另一个不同的移动速率移动，并且其中所述方法还包括：

移除所述预定的电场，由此使得所述至少两个移动物种中的一个移回到平衡状态。

12.一种用于制造如权利要求1所述的忆阻设备的方法，所述方法包括：

将所述至少两个移动物种引入到有源区；以及

将所述有源区暴露于电场或升高的温度中的至少一个，由此使得所述至少两个移动物种以不同的速率漂移通过有源区的附加部分，并且改变所述忆阻设备的状态变量。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述至少两个移动物种的漂移引入新状态或者钝化现有状态。

14.如权利要求12所述的方法，其中在暴露之前，所述方法还包括：

在第一和第二电极之间建立有源区；以及

与建立有源区同时地或者在建立有源区之后引入所述至少两个移动物种，其中通过以下方式来完成独立地引入所述至少两个移动物种：i)将至少两个移动物种中的至少一个植入到有源区或与其直接或间接邻近的区中；或者ii）将来自气体源或前体的至少两个移动物种中的至少一个扩散到有源区或与其直接或间接邻近的区中；或者iii）将所述至少两个移动物种中的至少一个植入到邻近于所建立的有源区的区中，并且然后扩散来自所述邻近区的第一或第二掺杂物中的至少一个。