[发明专利]用于读取阵列中的电阻开关器件的电路和方法

说明书

背景技术

忆阻器件或忆阻器是具有电可开关的器件电阻的新型开关器件。忆阻器件从科学角度和技术角度都是令人关注的，并且在非易失性存储器（NVM）领域和其它领域具有前景。随着当今闪存技术达到其规模极限，急需能满足未来应用所需的存储容量和存储速度的新存储器技术。使用电阻开关器件（例如忆阻器）的存储器是满足这种需要的有前景的候选。对于NVM应用而言，许多纳米级电阻开关器件可以形成在二维阵列（例如交叉结构）中，以提供非常高的存储容量。然而，可靠地读取阵列中被选中电阻开关器件的电阻状态已成为主要挑战，因为其它开关器件在阵列中的存在可能形成泄漏电流路径，泄漏电流路径会显著降低读取操作的信噪比。

附图说明

图1是作为一种电阻开关器件的忆阻器件示例的示意性剖视图；

图2是包含多个电阻开关器件的交叉结构的示意图；

图3是代表电阻开关器件的交叉结构的抽象的示意图；

图4是用于读取交叉结构中被选中电阻开关器件的具有跨阻抗等电位预放大器的电子电路的示意图；

图5是示出使用图4的电路读取交叉结构中被选中电阻开关器件的过程的流程图；以及

图6是图4的用于读取交叉结构中被选中电阻开关器件的电子电路的实现方式的示意图。

具体实施方式

下面的描述提供一种用于读取开关器件阵列中的电阻开关器件的电阻状态的具有跨阻抗预放大器的电路，以及用于执行读取操作的相应方法。在一些实施例中，读取电路可以提供代表开关器件的电阻状态的数字输出。例如，数字“0”可以表示该器件处于高电阻状态或者“关断（OFF）”状态，而数字“1”可以表示该器件处于低电阻状态或“接通（ON）”状态。

在一些实施例中，电阻开关器件可以是双极忆阻器件（或忆阻器）。本发明中使用的忆阻器件是具有代表其开关状态的电阻的开关器件，并且电阻取决于向器件施加的电压和电流的历史。术语“双极”指器件可以通过施加一个极性的开关电压而从低阻态（LRS）被切换至高阻态（HRS），并且可以通过施加相对极性的开关电压而从高阻态切换至低阻态。

图1以示意图形式示出双极忆阻器件100的示例。在图1所示的实施例中，忆阻器件是具有上电极120和下电极110的双端器件。在这两个电极之间布置有源区122，在有源区122这里发生切换行为。开关器件100的有源区122包括开关材料以及弱电离导体，开关材料可以是半导电的或者名义上绝缘的。开关材料包含掺杂剂，掺杂剂可以在足够强的电场下被驱使漂移通过开关材料，这导致忆阻器件的电阻变化。忆阻器件100可以用作例如用于存储数字信息的非易失性存储器单元。这样的存储器单元可以合并到交叉结构中，以提供大存储容量，如图2所示。

许多不同的具有各自适合的掺杂剂的材料可以用作开关材料。表现适合的开关属性的材料包括过渡金属和稀土金属的氧化物、硫化物、硒化物、氮化物、碳化物、磷化物、砷化物、氯化物和溴化物。适合的开关材料还包括诸如Si和Ge之类的元素半导体，以及诸如III-V和II-VI族化合物半导体之类的化合物半导体。可能的开关材料的列表不是穷举，并且不限制本发明的范围。用来改变开关材料的电特性的掺杂剂种类取决于选中的开关材料的具体类型，并且可以是阳离子、阴离子或空位或者是作为电子施主或电子受主的杂质。例如，在诸如TiO₂的过渡金属氧化物的情况下，掺杂剂种类可以是氧空位。对于GaN来说，掺杂剂种类可以是氮化物空位或二价硫离子。对于化合物半导体来说，掺杂剂可以是n型杂质或p型杂质。

通过控制有源区122的开关材料中氧空位的浓度和分布，纳米级开关器件100可以在接通状态和关断状态之间切换。当在上电极120和下电极110之间施加DC开关电压时，跨越有源区122形成电场。开关电压和开关电流可以由开关电路200控制。如果跨越有源区122的电场具有足够的强度和适当的极性，则可以驱动氧空位通过开关材料向上电极120漂移，从而将器件转变成接通状态。