桂林電子科技大學張法碧教授團隊---氧化鎵基憶阻器的最新研究進展
由桂林電子科技大學張法碧教授團隊在學術期刊 Journal of Alloys and Compounds 發布了一篇名為 Advancements in gallium-oxide-based memristors（氧化鎵基憶阻器的最新研究進展）的文章。
1. 背景
1962年，Hickmott等人首次在基于氧化物的半導體薄膜中報告了電阻開關行為。隨后研究證實，這一現象源于氧化物薄膜的內在特性。十年后的1971年，Chua等人從理論上預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。這一預測揭示了憶阻器引人入勝的電學特性，引發了廣泛關注。然而，由于材料制備、半導體集成技術的限制以及缺乏即時應用需求，早期研究進展受限。直到2008年，惠普實驗室的團隊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、多電導態和表觀負微分電阻等現象。他們的模型揭示了憶阻器的雙極性開關特性，該特性隨后在多種材料體系中得到驗證，包括金屬氧化物。隨著新型半導體研究的不斷推進，憶阻器逐漸受到重視，并被應用于多個前沿領域。
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行調制，并且在斷電后仍能保持其電阻狀態。由于其結構簡單、可微縮性強、功耗低、開關速度快等優點，憶阻器被認為是下一代非易失性存儲器（NVM）和存內計算的主要候選技術。憶阻器的核心工作機制是電阻開關（RS）效應，即器件可以在高阻態（HRS）和低阻態（LRS）之間切換。Ga2O3 作為一種超寬禁帶半導體，具有帶隙寬（約 4.9 eV）、擊穿場強大、熱穩定性和化學穩定性好以及可制備大尺寸高質量單晶襯底等優點，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，使其成為構建價態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系的紐帶。它可以記憶流經它的電荷數量，斷電后也能記住其電阻狀態，因此受到廣泛的關注。在新興的超寬禁帶半導體材料中，氧化鎵（Ga2O3）因在高質量單晶襯底生長方面的進展而脫穎而出，被視為下一代功率和電子器件的潛力材料。本文綜述了 Ga2O3 基憶阻器技術的關鍵進展。首先闡述其在半導體演進中的基礎地位，隨后探討了憶阻器中各種阻變機制的最新研究進展，最后系統總結了 Ga2O3 基憶阻器在非易失存儲、類腦計算、光電子等領域的應用前景。本綜述旨在為寬禁帶半導體器件研究人員提供有價值的參考資料，并推動 Ga2O3 基憶阻器技術的持續發展。
3. 總結
基于 Ga2O3 的憶阻器的發展已超越傳統非易失性存儲器領域，正穩步向智能傳感、類腦計算及柔性可穿戴電子設備等多元化應用場景邁進。通過材料創新、多物理場協同控制及工藝優化，這類器件有望突破傳統硅基技術的局限性，為實現低功耗、多功能、高度集成的新一代電子系統奠定基礎。隨著持續的研究與合作，Ga2O3 憶阻器或將為能源高效、多功能且高度集成的電子系統開辟一個新時代。
圖1. (a) Ag/Ga2O3/Si 器件電阻轉變過程的物理機制。Au/β-Ga2O3/WO3/Ag 憶阻器器件在(b)正偏壓下的情況；(c)負偏壓下的情況。
圖2. 基于 Ga2O3 的MIM結構憶阻器。 (a) IGZO/Ga2O3/IGZO 電容器的光學透射率。插圖顯示了該結構的示意圖配置；(b) 器件的耐用性性能。（c）Ag/Ga2O3/Pt 結構的示意圖；（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（HRS）和低電阻狀態（LRS）的保持特性。
DOI：
doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.181365
本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號