桂林电子科技大学张法碧教授团队---氧化镓基忆阻器的最新研究进展
由桂林电子科技大学张法碧教授团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Advancements in gallium-oxide-based memristors（氧化镓基忆阻器的最新研究进展）的文章。
1. 背景
1962年，Hickmott等人首次在基于氧化物的半导体薄膜中报告了电阻开关行为。随后研究证实，这一现象源于氧化物薄膜的内在特性。十年后的1971年，Chua等人从理论上预测了第四种无源电路元件——忆阻器的存在，它连接磁通量与电荷。这一预测揭示了忆阻器引人入胜的电学特性，引发了广泛关注。然而，由于材料制备、半导体集成技术的限制以及缺乏即时应用需求，早期研究进展受限。直到2008年，惠普实验室的团队提出了一种简化的等效电路模型，解释了在薄膜与纳米器件中观察到的异常电流-电压行为，包括电阻切换、迟滞、多电导态和表观负微分电阻等现象。他们的模型揭示了忆阻器的双极性开关特性，该特性随后在多种材料体系中得到验证，包括金属氧化物。随着新型半导体研究的不断推进，忆阻器逐渐受到重视，并被应用于多个前沿领域。
忆阻器（Memristor）是继电阻、电容、电感之后被提出的第四种基本电路元件。作为两端无源器件，其电阻值可以通过施加的电压或电流进行调制，并且在断电后仍能保持其电阻状态。由于其结构简单、可微缩性强、功耗低、开关速度快等优点，忆阻器被认为是下一代非易失性存储器（NVM）和存内计算的主要候选技术。忆阻器的核心工作机制是电阻开关（RS）效应，即器件可以在高阻态（HRS）和低阻态（LRS）之间切换。Ga2O3 作为一种超宽禁带半导体，具有带隙宽（约 4.9 eV）、击穿场强大、热稳定性和化学稳定性好以及可制备大尺寸高质量单晶衬底等优点，是下一代功率器件和光电子器件的理想材料。Ga2O3 材料中固有的缺陷物理特性，特别是可移动的氧空位，使其成为构建价态变化型忆阻器的理想材料。
2. 摘要
忆阻器是连接磁通量与电荷之间关系的纽带。它可以记忆流经它的电荷数量，断电后也能记住其电阻状态，因此受到广泛的关注。在新兴的超宽禁带半导体材料中，氧化镓（Ga2O3）因在高质量单晶衬底生长方面的进展而脱颖而出，被视为下一代功率和电子器件的潜力材料。本文综述了 Ga2O3 基忆阻器技术的关键进展。首先阐述其在半导体演进中的基础地位，随后探讨了忆阻器中各种阻变机制的最新研究进展，最后系统总结了 Ga2O3 基忆阻器在非易失存储、类脑计算、光电子等领域的应用前景。本综述旨在为宽禁带半导体器件研究人员提供有价值的参考资料，并推动 Ga2O3 基忆阻器技术的持续发展。
3. 总结
基于 Ga2O3 的忆阻器的发展已超越传统非易失性存储器领域，正稳步向智能传感、类脑计算及柔性可穿戴电子设备等多元化应用场景迈进。通过材料创新、多物理场协同控制及工艺优化，这类器件有望突破传统硅基技术的局限性，为实现低功耗、多功能、高度集成的新一代电子系统奠定基础。随着持续的研究与合作，Ga2O3 忆阻器或将为能源高效、多功能且高度集成的电子系统开辟一个新时代。
图1. (a) Ag/Ga2O3/Si 器件电阻转变过程的物理机制。Au/β-Ga2O3/WO3/Ag 忆阻器器件在(b)正偏压下的情况；(c)负偏压下的情况。
图2. 基于 Ga2O3 的MIM结构忆阻器。 (a) IGZO/Ga2O3/IGZO 电容器的光学透射率。插图显示了该结构的示意图配置；(b) 器件的耐用性性能。（c）Ag/Ga2O3/Pt 结构的示意图；（d）在双极性电阻切换（BRS）和单极性电阻切换（URS）模式下，高电阻状态（HRS）和低电阻状态（LRS）的保持特性。
DOI：
doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.181365
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