[发明专利]掺杂氮的氧化镁内的电阻开关

说明书

技术领域

本发明涉及电阻开关组件及其在数据存储、逻辑应用中的使用，尤其涉及包括掺杂氮的MgO材料的电阻开关组件。

背景技术

许多计算和存储应用都很需要使用非易失性存储器。近年来，尤其因为手持式消费电子装置激增，此需要持续成长。闪存之所以是领先的非易失性存储器技术，主要因其每位（bit）的成本较低和其成本与存储器大小的比例换算比较简单(例如，不像磁盘驱动器)。然而，持续扩充闪存至更高容量却特别因为在缩放穿隧（tunnel）氧化物的同时仍要维持长期电荷存储的难度，面临了重大挑战。因此，需要其它可缩放的非易失性存储器技术。

发明内容

本发明的一个实施例是包括电阻开关组件阵列的装置，所述电阻开关组件阵列的每个电阻开关组件与字线和位线电连通。所述电阻开关组件阵列中的每个电阻开关组件包括掺杂氮(N)的MgO介电层(如，具有厚度在1nm和100nm之间)，其N含量至少是该层的0.1原子百分比，如，在该层的0.1和14原子百分比之间。例如，每个介电层的N含量可以是该层的至少2、5、或8(或更多)原子百分比。在优选的实施例中，给定的开关组件具有：“ON(接通)”状态，该状态具有电阻R_Low；和“OFF(关闭)”状态，该状态具有电阻R_High，其中R_High/R_Low的比例在10和10⁶之间。还有，在优选的实施例中，在数据可写入装置之前，不需要任何初始化(形成)步骤。可通过以不同的数据覆写存储在开关组件中的数据而取代该数据，如，数据可被写入、抹除、和重新写入数百次以上。

本发明的一方面是一种方法，包括施加电压于上述组件的特定一个(或更多、或甚至全部)，由此改变该特定组件的电阻状态，其中根据其N含量选择该电压。例如，该特定组件的电阻可因施加该电压而增加或减少。该方法可包括：施加SET(设定)电压于该特定组件，由此将其切换至具有电阻R_Low(在R_a和R_b之间)的“ON”状态；和施加RESET(复位)电压于该特定组件，由此将其切换至具有电阻R_High(在R_c和R_d之间)的“OFF”状态；其中R_a<R_b<R_c<R_d。可在多个组件上施加电压脉冲，使得装置的传导性以取决于电压脉冲的相对到达时间的方式可塑性发展，该装置因此用作突触装置。

本发明的另一方面是一种配合电阻开关组件使用的方法，该电阻开关组件包括：i)第一导电层；ii)Mg₅₀[O_50-xN_x]介电层，其中x至少为0.1；和iii)第二导电层。第一导电层、介电层、和第二导电层彼此邻近，由此允许电流通过第一导电层、介电层、和第二导电层。该方法包含施加电压于该组件，由此改变其电阻状态。第一和第二导电层可均包括铁磁材料，或其可包括非磁性材料。在一示范性方法中，此组件是包括至少一个其它电组件的电路的一部分，和该方法另外包含施加电压脉冲于该组件，由此消除在该组件和该至少一个其它电组件之间的电连接，该组件因此用作保险丝；该方法可另外包含施加电压于该组件，使得重新建立在该组件和该至少一个其它电组件之间的电连接。在另一示范性方法中，此组件邻近一电组件，和该方法包含在该组件上施加电压以建立ON状态，由此在该组件内形成具有直径小于该电组件直径的丝极，使得该组件用作该电组件的点接触注入器。

附图说明

图1是氧化物分子束取向附生（epitaxy）(MBE)系统的示意图。MBE腔室由蒸发元素Mg的努森池(Knudsen cell)和作为O和N独立来源的两个rf-电浆（plasma）产生器组成。

图2显示N与O通量比例对照MgO薄膜中的N掺杂。实心正方形为生长条件期间对气相N与O比例的测量，和线条是使用指数方程式对数据的拟合(y=2.15exp(x/8.75)-2.25)。

图3显示用以描绘膜厚度和组成的拉瑟福德背向散射(RBS)分析的结果。使用石墨基板允许进行低至0.5at%(原子百分比)的组成检测极限。上轴显示背向散射氦离子的能量，和下轴显示检测器中的通道数目。每个通道整合能量按5keV增量的背向散射氦离子。