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【会员论文】西安电子科技大学郝跃院士团队丨深度解析：氧化镓RRAM的材料、基础与应用

日期：2026-03-03阅读：14

由西安电子科技大学的研究团队在学术期刊 Advanced Materials Technologies 发布了一篇名为Gallium Oxide RRAM: Materials, Fundamentals and Applications（氧化镓 RRAM：材料、基础与应用）的文章。

背景

随着大数据和人工智能的飞速发展，传统的冯·诺依曼架构（计算与存储分离）面临着严重的存储墙和功耗墙限制。数据在处理器和存储单元之间频繁迁移，消耗了大量能量并限制了运算速度。作为一种新型非易失性存储技术，RRAM 具有结构简单、读写速度快、功耗低、高集成度以及支持存算一体等特点，被视为下一代半导体存储的核心竞争者。氧化镓禁带宽度约为 4.5-4.9 eV，这赋予了器件极高的热稳定性和击穿场强，使其能够在高温、高辐射等极端环境下稳定工作。氧化镓内部易于产生氧空位，而氧空位的形成与迁移是阻变效应的关键。拥有α、β、γ、ε、κ等多种同质异相体，且在可见光至日盲紫外波段具有高透明度，为开发透明电子器件和光电集成系统提供了可能。

主要内容

随着信息技术的迅猛发展，数据存储需求呈指数级增长。当前主流存储技术正逐渐受到物理极限的制约，难以在存储密度和读写速度方面实现进一步提升。同时，冯·诺依曼体系结构中“存储—计算分离”的架构模式也形成了难以突破的“存储墙”瓶颈，频繁的数据搬移显著降低了系统能效。为满足实时数据处理需求以及类脑计算对“存算一体化”的需求，亟需开发具备超高密度、高速度以及存算融合能力的新型存储技术。近年来，阻变随机存取存储器（RRAM）受到广泛关注，成为新一代非易失性存储器中极具竞争力的候选技术之一。氧化镓（Ga₂O₃）作为一种新兴的超宽禁带半导体材料，凭借其独特的电学与物理特性，已成为 RRAM 材料体系中极具潜力的候选者之一。本文首先介绍了 Ga₂O₃ 的材料特性，其次阐述了 Ga₂O₃ 基 RRAM 的工作原理，并对其性能评估指标及应用方向进行了系统总结。最后，文章对 Ga₂O₃ RRAM 未来的发展趋势进行了展望，以推动其在高密度存储与类脑计算领域中的应用。

总结

Ga₂O₃ 作为一种宽禁带半导体材料，凭借其优异的电学、光学和化学稳定性，在 RRAM 领域展现出显著的应用前景。本文概述了 Ga₂O₃ 材料的特性，以及 Ga₂O₃ RRAM 的结构、工作特性和机制，并对 Ga₂O₃ RRAM 的性能评估和应用进行了总结。要充分发挥 Ga₂O₃ RRAM 的独特潜力，仍面临重要的机遇与挑战。

（1）电学性能仍需进一步优化：工作电流过高，耐久性不足。具体而言，Ga₂O₃ RRAM 的复位操作电流相对较高（通常超过 10 µA），导致功耗增加。此外，在循环操作过程中，器件易出现电阻漂移或失效，从而影响长期稳定性。为缓解这些问题，有必要优化电极材料和界面工程以降低工作电流。同时，通过改进阻变层（RS 层）结构，例如引入多层 RS 层或纳米复合材料，可以提升耐久性。

（2）多级存储实现面临挑战：在多级存储操作中，Ga₂O₃ RRAM 容易出现电阻状态重叠或漂移，导致数据存储错误。设定电压与复位电压之间的显著差异也会影响多级存储的精度。因此，有必要开发新的阻变机制，例如界面型阻变机制，以提高电阻状态的稳定性。此外，还需优化器件结构以平衡设定与复位电压。

（3）热管理与散热问题：Ga₂O₃ 的热导率相对较低（0.27 W/cm·K），在高密度集成条件下可能导致局部过热，从而影响器件性能。这些问题可以通过优化器件结构、引入散热通道或高导热材料，以及开发创新封装技术以提高散热效率来解决。

（4）多功能拓展：除传统的存储与计算应用外，Ga₂O₃ RRAM 在人工智能和类脑计算等新兴领域也具有重要前景。通过与生物传感器和可穿戴设备等技术结合，有望推动医疗健康和智能穿戴等领域的创新并开辟新的发展方向。由于具备多级非易失存储、逻辑运算、图像处理能力、高可靠性、多功能集成、低功耗和高速等特性，Ga₂O₃ RRAM 在下一代信息存储与计算领域展现出巨大应用潜力。

随着材料制备和器件制造技术的进一步发展，Ga₂O₃ RRAM 有望成为未来高性能电子系统的核心组成部分。

项目支持

本工作得到了国家自然科学基金（62304167，52192610，62274127，625B2140，62421005）、国家重点研发计划（2021YFA0715600，2021YFA0717700）、广东省基础与应用基础研究基金（2024B1515120035）、2023 秦创原建设两链融合重大专项（23LLRH0043）、陕西省重点研发计划（2024GX-YBXM-512）的支持。