一种基于导电桥阈值开关器件的1S1C存储器及其操作方法

一种基于导电桥阈值开关器件的1s1c存储器及其操作方法
技术领域
1.本发明属于存储器技术领域，更具体地，涉及一种基于导电桥阈值开关器件的1s1c存储器及其操作方法。

背景技术：

2.目前业界为了解决dram存储密度难以提升这一计算机性能瓶颈问题，提出来了一系列新型存储器试图来取代dram的地位，其中1s1c存储器采用了类似dram的结构，将三端选通器件换成两端选通器件来控制对电容进行充放电来实现数据存储，具有速度快，结构简单，密度高，易三维集成的优点，但是1s1c存储器因为采用了一种类似dram的结构，也会存在电容漏电现象，因此也需要定期刷新来重新写入数据，目前已经提出的1s1c存储器采用ots选通管作为选通器件，但是ots的漏电流在na级别，导致1s1c存储器的刷新周期较短，并且ots的阈值电压在1.2～1.3v左右，保持电压在0.5～0.7v左右，因此基于ots实现1s1c存储器需要2v左右的操作电压，不适合在边缘计算、手机等低功耗场景进行使用，这两点也制约了1s1c存储器的整体性能；同时目前业界针对1s1c存储器提出的控制方案希望存储器的两个态不对称，有利于对存储器操作方法的设计，如中国发明专利cn202210909473.8中，因为ots的1s1c存储器两个态对称度较高，为了使两个态的刷新周期同步，只能将状态1的电容电压定义为：﹣1.5v～0.5v；状态0的电容电压定义为：0.5v～1.5v，人为的将两个态创造出差异，在设计上带来了很大挑战。
3.因此，如何解决目前1s1c存储器刷新周期短、功耗高以及对其操作方法设计难度大的问题是亟需解决的问题。

技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于导电桥阈值开关器件的1s1c存储器，可有效提升1s1c存储器的刷新周期，降低功耗，且还能简化其操作方法的设计。
5.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了基于导电桥阈值开关器件的1s1c存储器，包括串联的导电桥阈值开关器件和电容，所述导电桥阈值开关器件包括由下而上依次形成的选通层下电极层、选通层和上电极层；其中，所述选通层为对称结构，包括由下而上依次形成的第一离子层、转换层和第二离子层，用于构成具有正反向导通特性的选通管，具有正反向阈值电压vth1和vth2及正反向保持电压vhold1和vhold2；
6.在1s1c存储器上施加电脉冲，当加载在选通层两端的电压差由第一离子层指向第二离子层且幅值大于vth1时，第一离子层中的活性金属离子进入转换层形成导电细丝，当加载在选通层两端的电压差由第二离子层指向第一离子层且幅值大于vth2时，第二离子层中的活性金属离子进入转换层形成导电细丝，当导电细丝形成时，选通层处于低阻态；当所述电压差由大于vth1降为小于vhold1或者由大于vth2降为小于vhold2时，所述转换层中的导电细丝断裂，此时选通层变为高阻态，电容两端电压维持在一稳定值，利用电容上存储的
电荷量和极性实现数据存储；其中，所述选通层在低阻态和高阻态所对应的电容电压通过调节第一离子层和第二离子层的活性金属占比、转换层的材料和厚度实现。
7.在其中一个实施例中，所述第一离子层与第二离子层的材料为ag、cu、co、ni和sn中的至少一种，或为cus、cuo
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、ags
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、agse
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、agte
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、cus
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、cuse
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和cute
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中的至少一种或掺杂金属形成的混合物。
8.在其中一个实施例中，所述转换层的材料为绝缘介质层，所述绝缘介质层为氧化物、非晶硅、hfo2、sio2、zro
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、vo
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、tao
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、tio
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、zro2、tiwcus、gete
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、gese
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、ges
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、gesbte
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、gesb
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、geo
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、sbte
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、sbs、sbse、bise、bis、bite、aste、asse、snte、bite、aginsbte、ags
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、agse
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、agte
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、cus
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、cuse
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和hfalo中的至少一种或掺杂s、n、o以及si元素中的至少一种元素形成的混合物。
9.在其中一个实施例中，所述电容包括由下而上依次形成的下电极层、电容介质层、电容上电极层，所述电容和导电桥阈值开关器件通过电容上电极层和选通层下电极层串联连接。
10.在其中一个实施例中，所述电容上电极层和选通层下电极层共用同一个电极层。
11.在其中一个实施例中，所述电容介质层采用高k材料，所述高k材料为氮化物、金属氧化物、氮氧化物和钙钛矿相氧化物中的至少一种。
12.在其中一个实施例中，所述下电极层、电容上电极层、选通层下电极层和上电极层均采用惰性电极，所述惰性电极的材料为pt、ti、w、au、ru、al、tiw、tin、tan、iro2、ito以及izo中的至少一种。
13.第二方面，本发明提供了一种上述所述的基于导电桥阈值开关器件的1s1c存储器的操作方法，包括如下步骤：
14.当需要对1s1c存储器进行写1操作时，在所述1s1c存储器上施加一个幅值在vth1和vth1+vhold1之间、电场方向由选通层下电极层指向上电极层的写脉冲vwrite1，写脉冲vwrite1与电容上的电压共同作用，使第一离子层中的离子进入转换层形成导电细丝，此时选通层变为低阻态，对电容进行快速充电；当电容电压到vwrite1-vhold1时，此时转换层中的导电细丝断裂，选通层变为高阻态，电容电压维持在vwrite1-vhold1，完成数据1的写入操作；
15.当需要对1s1c存储器进行写0操作时，在所述1s1c存储器上施加一个幅值vth2和vth2+vhold2之间、电场方向由上电极层指向选通层下电极层的写脉冲vwrite0，写脉冲vwrite0与电容上的电压共同作用，使第二离子层中的离子进入转换层形成导电细丝，此时选通层变为低阻态，对电容进行快速充电；当电容电压到vwrite2-vhold2时，此时转换层中的导电细丝断裂，选通层变为高阻态，电容电压维持在vwrite2-vhold2，完成数据0的写入操作；其中，所述选通层在低阻态和高阻态所对应的电容电压通过调节第一离子层、第二离子层的活性金属占比、转换层的材料和厚度实现。
16.本发明提供的基于导电桥阈值开关器件的1s1c存储器及其操作方法，具有如下效果：
17.(1)在选通层中采用离子层-转换层-离子层这样的结构，当选通层导通时，离子层的离子会进入转换层形成导电通道，选通层可以实现导通，当选通层断开时，转换层中的导电通道会断开，由于转换层的材料为绝缘材料，因此在关断状态具有很低的漏电流，可使得
1s1c存储器中电容上的电荷不会因为漏电而较快消散，从而显著提升1s1c存储器的刷新周期。正因为本发明提供的1s1c存储器具有较为显著的刷新周期，每次写入的数据可以保存更长时间，所以对于相同的存储时间，需要的刷新次数更少，需要更少的能量消耗。并且本发明提供的1s1c存储器因为选通层的阈值电压可以低至0.6v，所以1s1c存储器可以在0.7v的工作电压下工作，比目前业界低功耗dram存储器lpddr5的1.1v工作电压还要低，可适用于低功耗、边缘计算等场景。
18.(2)本发明提供的1s1c存储器实现数据存储的电容电压两个态可以通过调节第一离子层与第二离子层和转换层实现互相独立的调整，方便实现两个态的不对称，并且可以适应于不同的工作场景。
附图说明
19.图1是本发明一实施例提供的基于导电桥阈值开关器件的1s1c存储器的结构示意图；
20.图2是本发明提供的具有双向导通性能的导电桥阈值开关器件的i-v图；
21.图3是传统基于ots实现的1s1c存储器操作图；
22.图4是本发明提供的基于导电桥阈值开关器件实现的1s1c存储器操作图；
23.图5是本发明一实施例通过调节离子层的活性金属占比使得选通层在正负向表现出差异图。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.为解决传统1s1c存储器刷新周期短、功耗高以及操作方法设计难度大的问题，本发明提供了一种基于导电桥阈值开关器件的1s1c存储器，如图1所示，该1s1c存储器由导电桥阈值开关器件cbts和电容串联构成。
26.在本实施例中，电容可采用从下往上依次形成的下电极层、电容介质层、电容上电极层构成。其中，电容介质层用于存储电荷，可采用高k材料，包括但不限于氮化物、金属氧化物、氮氧化物、钙钛矿相氧化物等；下电极层和电容上电极层用作电极，用于传递电信号，具体可采用惰性电极，如pt、ti、w、au、ru、al、tiw、tin、tan、iro2、ito以及izo中的至少一种，优选采用pt。
27.导电桥阈值开关器件采用从下往上依次形成的选通层下电极层、选通层和上电极层构成，导电桥阈值开关器件和电容通过选通层下电极层和电容上电极层串联连接，电容上电极层和转变层下电极层可共用一个电极层，用于传递电信号。中间的选通层为对称结构，从下往上依次为第一离子层、转换层和第二离子层，用于实现可以双向导通的选通管，即该选通管具有正反向阈值电压vth1和vth2及正反向保持电压vhold1和vhold2。
28.具体地，本实施例提供的第一离子层和第二离子层的材料可为容易被氧化的金属如ag、cu、co、ni、sn，或者其化合物如cus、cuo
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、ags
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、agse
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、agte
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、cus
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、cuse
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、cute
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中的至少一种或者组合或者掺杂金属混合物，当在外界电场作用下，第一离子层和第二离子层中
活性金属离子会在转换层中进行氧化还原反应与迁移过程来形成导电细丝。转换层的材料可选用绝缘介质层，如氧化物、非晶硅、hfo2、sio2、tio
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、zro2、tiwcus、gete
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、gese
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、ges
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、gesbte
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、gesb
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、geo
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、sbte
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、sbs、sbse、bise、bis、bite、aste、asse、snte、bite、aginsbte、ags
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、agse
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、agte
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、cus
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、cuse
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中的至少一种或者组合或者掺杂s、n、o以及si元素中的至少一种元素形成的混合物。
29.本实施例提供的导电桥阈值开关器件具有如图2所示性能：当在上电极层和下电极层之间施加电脉冲时，会在选通层两端产生电场，在电场的驱动下，第一离子层或者第二离子层中的活性金属离子会进入转换层形成导电细丝(即当电场方向是由下电极层指向上电极层时且选通层两端电压大于vth1时，第一离子层中的活性金属离子进入转换层形成导电细丝；当电场方向是由上电极层指向下电极层时且选通层两端电压大于阈值电压vth2时，第二离子层中的活性金属离子进入转换层形成导电细丝)，此时导电桥阈值开关器件为低阻态，处于打开状态，当外加电场撤去之后，导电细丝会自动断裂(即当选通层两端电压由大于vth1变为小于vhold1时，导电细丝断裂；当选通层两端电压由大于vth2变为小于保持电压vhold2时，导电细丝断裂)，此时导电桥阈值开关器件为高阻态，处于关闭状态；当导电细丝形成时，选通层处于低阻态，电容两端的电压可以随着外加电压迅速变化，当导电细丝断裂后，选通层处于高阻态，电容两端的电压不再随着外加电压变化，利用电容上电荷量的多少以及极性实现数据存储。
30.具体地，本实施例提供1s1c存储器实现数据存储的操作方法可以为：
31.当需要对1s1c存储器进行写1操作时，在上电极层和下电极层之间施加一个幅值在vth1和vth1+vhold1之间、电场方向由下电极层指向上电极层的写脉冲vwrite1，由于初始状态电容两端电压vc＝0v，所以此时选通层两端电压为vwrite1，大于vth1，使第一离子层中的离子进入转换层形成导电细丝，此时选通层变为低阻态，对电容进行快速充电，电容两端电压vc快速上升，选通层两端的电压随之下降；当选通层两端电压下降到小于保持电压vhold1时，此时转换层中的导电细丝会迅速断裂，电容的充电电流迅速下降，电容停止充电，此时电容两端电压维持在vc＝vwrite1-vhold1，完成了数据1的写入操作。
32.当需要对1s1c存储器进行写0操作时，在上电极层和下电极层之间施加一个幅值vth2和vth2+vhold2之间、电场方向由上电极层指向下电极层的写脉冲vwrite0，由于初始状态电容两端电压vc＝0v，所以此时选通层两端电压为vwrite2，大于阈值电压vth2，第二离子层中的活性金属离子会进入转换层形成导电细丝，电容的充电电流迅速增加，电容两端电压vc快速上升，选通层两端的电压随之下降；当选通层两端电压下降到小于vhold2时，此时转换层中的导电细丝会迅速断裂，电容的充电电流迅速下降，电容停止充电，此时电容两端电压维持在vc＝vwrite2-vhold2，完成了数据0的写入操作。
33.从图2中可以看到，本实施例提供的导电桥阈值开关器件在正反向的漏电流均在10pa左右，相比于传统ots选通器件na级别的漏电流，小了2～3个数量级，因此可显著降低1s1c存储器中的电容漏电。
34.且从图2中还可以看到，本实施例提供的选通层在正反向的阈值电压为0.6v左右，保持电压在0.2v左右，因此当基于导电桥阈值开关器件构成1s1c存储器时，用0.7v的操作电压即可实现存储功能，如图4所示，vwrite1的幅值为0.7v、上升沿为10ns、下降沿为10ns、脉宽为100ns，当vwrite1脉冲作用与1s1c存储器件之上，电容上的写入的电压vc为0.5v，当
电容上的电压vc小于导电桥阈值开关器件本身的阈值电压vth1波动时，不能准确的读出1s1c器件所存储的数据，导电桥阈值开关器件的阈值电压vth波动一般在0.2v左右，因此当对1s1c存储器执行写入操作之后，电容电压vc衰减到0.2v时对应的时间点定义为刷新周期，从图4中可以看出刷新周期为91.7ms。
35.作为对比，传统基于ots实现的1s1c存储器操作图如图3所示，传统ots器件在正反向的阈值电压为1.3v左右，保持电压在0.8v左右，因此需要2v的操作电压才能实现存储功能，图3中vwrite1的幅值为2v、上升沿为10ns、下降沿为10ns、脉宽为100ns，当vwrite1脉冲作用于1s1c存储器件之上，电容上的写入的电压vc为1.2v，当电容上的电压vc小于ots器件本身的阈值电压vth波动时，不能准确的读出1s1c器件所存储的数据，ots器件的阈值电压vth波动一般在0.2v左右，因此当对1s1c存储器执行写入操作之后，电容电压vc衰减到0.2v时对应的时间点定义为刷新周期，从图3中可以看出刷新周期为1.8ms。因此，本实施例提供的1s1c存储器结构可显著提升1s1c存储器的循环耐久性，从而降低存储器的刷新时间，使存储器的整体性能得到大幅提高。
36.基于导电桥阈值开关器件的1s1c存储器可在0.7v的低电压下实现存储功能，相比于目前商用的最新低功耗dram存储器lpddr5的1.1v工作电压具有优势，且可以将刷新周期从1.8ms提升到91.7ms，大幅提升1s1c存储器的性能，并且传统基于ots实现的1s1c存储器的电压利用率为vc/vwrite＝1.2/2＝60％，基于cbts器件实现的1s1c存储器的电压利用率为vc/vwrite＝0.5/0.7＝71.5％，可提升操作电压利用率，增加1s1c存储器的相对窗口。
37.此外，本实施例提供的选通层在低阻态和高阻态所对应的电容电压可通过调节第一离子层和第二离子层的活性金属占比、转换层的材料和厚度实现。图2所制备的导电桥阈值开关器件中第一离子层和第二离子层完全相同，均为cuo2，可以看出制备得到的导电桥阈值开关器件在正反向的对称性较好，阈值电压在0.6v左右，基于此器件构成1s1c存储器两个态的电容电压都在0.5v左右。对于cuo
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作为离子层构成的导电桥阈值开关器件，cu含量越低导电丝越难形成，阈值电压越高，因此在如图5所制备的导电桥阈值开关器件中，第一离子层维持cuo2，第二离子层为cuo3，从i-v图中可以发现：在负向，由于第一离子层材料未更改，所以阈值电压维持在0.6v左右，在正向，第二离子层材料提升了氧的比例，阈值电压到了0.9v左右，提升了近0.3v；基于此导电桥阈值开关器件构成的1s1c存储器，状态1的电容电压在0.5v左右，状态0的电容电压在0.8v左右，两个态之间存在0.3v的差异，有利于简化1s1c存储器操作方法的设计。
38.本实施例提供的1s1c存储器，具有如下效果：
39.(1)在选通层中采用离子层-转换层-离子层这样的结构，当选通层导通时，离子层的离子会进入转换层形成导电通道，选通层可以实现导通，当选通层断开时，转换层中的导电通道会断开，由于转换层的材料为绝缘材料，因此在关断状态具有很低的漏电流，可使得1s1c存储器中电容上的电荷不会因为漏电而较快消散，从而显著提升1s1c存储器的刷新周期。正因为本实施例提供的1s1c存储器具有较为显著的刷新周期，每次写入的数据可以保存更长时间，所以对于相同的存储时间，需要的刷新次数更少，需要更少的能量消耗。并且本实施例提供的1s1c存储器因为选通层的阈值电压可以低至0.6v，所以1s1c存储器可以在0.7v的工作电压下工作，比目前业界低功耗dram存储器lpddr5的1.1v工作电压还要低，可适用于低功耗、边缘计算等场景。
40.(2)本实施例提供的1s1c存储器实现数据存储的电容电压两个态可以通过调节第一离子层与第二离子层和转换层实现互相独立的调整，方便实现两个态的不对称，并且可以适应于不同的工作场景。
41.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于导电桥阈值开关器件的1s1c存储器，其特征在于，包括串联的导电桥阈值开关器件和电容，所述导电桥阈值开关器件包括由下而上依次形成的选通层下电极层、选通层和上电极层；其中，所述选通层为对称结构，包括由下而上依次形成的第一离子层、转换层和第二离子层，用于构成具有正反向导通特性的选通管，具有正反向阈值电压vth1和vth2及正反向保持电压vhold1和vhold2；在1s1c存储器上施加电脉冲，当加载在选通层两端的电压差由第一离子层指向第二离子层且幅值大于vth1时，第一离子层中的活性金属离子进入转换层形成导电细丝，当加载在选通层两端的电压差由第二离子层指向第一离子层且幅值大于vth2时，第二离子层中的活性金属离子进入转换层形成导电细丝，当导电细丝形成时，选通层处于低阻态；当所述电压差由大于vth1降为小于vhold1或者由大于vth2降为小于vhold2时，所述转换层中的导电细丝断裂，此时选通层变为高阻态，电容两端电压维持在一稳定值，利用电容上存储的电荷量和极性实现数据存储；其中，所述选通层在低阻态和高阻态所对应的电容电压通过调节第一离子层和第二离子层的活性金属占比、转换层的材料和厚度实现。2.根据权利要求1所述的基于导电桥阈值开关器件的1s1c存储器，其特征在于，所述第一离子层与第二离子层的材料为ag、cu、co、ni和sn中的至少一种，或为cus、cuo
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、cus
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和cute
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中的至少一种或掺杂金属形成的混合物。3.根据权利要求1或2所述的基于导电桥阈值开关器件的1s1c存储器，其特征在于，所述转换层的材料为绝缘介质层，所述绝缘介质层为氧化物、非晶硅、hfo2、sio2、zro
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、zro2、tiwcus、gete
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、sbs、sbse、bise、bis、bite、aste、asse、snte、bite、aginsbte、ags
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和hfalo中的至少一种或掺杂s、n、o以及si元素中的至少一种元素形成的混合物。4.根据权利要求1所述的基于导电桥阈值开关器件的1s1c存储器，其特征在于，所述电容包括由下而上依次形成的下电极层、电容介质层、电容上电极层，所述电容和导电桥阈值开关器件通过电容上电极层和选通层下电极层串联连接。5.根据权利要求4所述的基于导电桥阈值开关器件的1s1c存储器，其特征在于，所述电容上电极层和选通层下电极层共用同一个电极层。6.根据权利要求4所述的基于导电桥阈值开关器件的1s1c存储器，其特征在于，所述电容介质层采用高k材料，所述高k材料为氮化物、金属氧化物、氮氧化物和钙钛矿相氧化物中的至少一种。7.根据权利要求4所述的基于导电桥阈值开关器件的1s1c存储器，其特征在于，所述下电极层、电容上电极层、选通层下电极层和上电极层均采用惰性电极，所述惰性电极的材料为pt、ti、w、au、ru、al、tiw、tin、tan、iro2、ito以及izo中的至少一种。8.一种权利要求1～7任意一项所述的基于导电桥阈值开关器件的1s1c存储器的操作方法，其特征在于，包括如下步骤：当需要对1s1c存储器进行写1操作时，在所述1s1c存储器上施加一个幅值在vth1和vth1+vhold1之间、电场方向由选通层下电极层指向上电极层的写脉冲vwrite1，写脉冲vwrite1与电容上的电压共同作用，使第一离子层中的离子进入转换层形成导电细丝，此时选通层变为低阻态，对电容进行快速充电；当电容电压到vwrite1-vhold1时，此时转换层中的导电细丝断裂，选通层变为高阻态，电容电压维持在vwrite1-vhold1，完成数据1的写入
操作；当需要对1s1c存储器进行写0操作时，在所述1s1c存储器上施加一个幅值vth2和vth2+vhold2之间、电场方向由上电极层指向选通层下电极层的写脉冲vwrite0，写脉冲vwrite0与电容上的电压共同作用，使第二离子层中的离子进入转换层形成导电细丝，此时选通层变为低阻态，对电容进行快速充电；当电容电压到vwrite2-vhold2时，此时转换层中的导电细丝断裂，选通层变为高阻态，电容电压维持在vwrite2-vhold2，完成数据0的写入操作；其中，所述选通层在低阻态和高阻态所对应的电容电压通过调节第一离子层、第二离子层的活性金属占比、转换层的材料和厚度实现。

技术总结

本发明公开了一种基于导电桥阈值开关器件的1S1C存储器及其操作方法，该1S1C存储器包括导电桥阈值开关器件和电容，导电桥阈值开关器件中的选通层为对称结构，包括第一离子层、转换层和第二离子层，构成具有正反向导通特性的选通管；在1S1C存储器上施加电脉冲，当加载在选通层两端的电压差大于阈值电压时，第一离子层或第二离子层中的活性金属离子进入转换层形成导电细丝，选通层处于低阻态；当该电压差降为小于保持电压时，转换层中的导电细丝断裂，选通层变为高阻态，电容两端电压维持在一稳定值，利用电容上存储的电荷量和极性实现数据存储。本发明可有效提升1S1C存储器的刷新周期，降低功耗，且还能简化其操作方法的设计。且还能简化其操作方法的设计。且还能简化其操作方法的设计。