非晶态半导体存储器

amorphous semiconductor memory

主要有电存储器和光存储器两大类，前者利用非晶态半导体在电学性质上存在的双稳态特性质，即利用不同的电脉冲信号使其保持高阻状态（关态）和低阻状态（开态）工作。后者利用光辐照使非晶态半导体中的光斑处发生结构变化（一般为非晶态与晶态之间的变化），以记录光信息。它具有光的双稳态性质。非晶态半导体存储器具有信息可长期保持而无功耗，抗高能粒子辐照等特点，可用作高密度，高信噪比的信息记录介质，例如光盘等。

60年代初，人们就发现某些玻璃半导体中存在电开关和存储现象，但当时并未受到重视。1968年，美国人S.R.奥辛斯基报道,在玻璃半导体Te-As-Si-Ge中存在可重复的稳定的电开关和存储效应，引起了各国科学家的极大兴趣。

非晶态半导体存储器主要有电存储器和光存储器两类。前者的信息存入、擦除和读出，都是用电脉冲；后者则用光脉冲。

利用其在电学性质上存在双稳态特性，即利用不同电脉冲信号使其保持高阻状态（关态）或低阻状态（开态）工作。按伏安特性划分主要有两种类型，即具有开关性能的存储器和电压控制负阻型存储器。开关性能的存储器的典型例子是硫系非晶态半导体存储器（图1）， 其起始为高阻态，当加在器件上的电压升高时，电流沿OA增加,如电压小于阈值电压 Ut,器件则保持在高阻态。当电压超过 Ut时，沿负载线由A点过渡到B点，成为低阻态。电压降为零后，器件仍保持低阻态。这时再加电压，电流就沿OB方向增加，只有加上适当大的电流脉冲（称为复位电流）后，器件才恢复到高阻态（以OA表示）。反向的伏安特性与正向的相似。图2为电压控制负阻型(N 字型)存储器的伏安特性。在某些MIM结构的氧化物薄膜（如Al-SiO-Au）中可观测到这种特性。起始为低阻态，增加外加电压，器件由低阻区经负阻区达A点后,电压迅速降低，器件就可保持高阻态,其伏安特性由OA′表示。加在器件上的电压达B点后就迅速降低,器件将保持阻值较低的高阻态,其伏安特性由OB′表示。只要加上幅度超过 Ut的脉冲即可使器件恢复到起始的低阻态。这种非晶态半导体存储器的高阻和低阻两种状态的转化是可逆的，并可反复进行。

用硫系非晶态半导体已制成有1024位的电可擦除的可编程序只读存储器。 这类存储器与随机存储器不同，虽然也能擦写，但主要用于固定读出，需要时才加以改写，所以是一种主读存储器。非晶态半导体存储单元集成在硅片上，存储单元之间用PN结二极管隔离(图3),各单元的关态电阻与开态电阻值之比为103～106。

非晶态半导体存储器有如下优点：①信息可长期保持而无功耗；②每位的状态可用电脉冲随意改写；③可直接与二极管-晶体管逻辑电路和晶体管-晶体管逻辑电路相匹配；④具有抗高能粒子辐照性能。

利用光辐照（激光或氙灯闪光）使非晶态半导体中的光斑处发生结构变化（一般为非晶态与晶态之间的变化），以记录光信息。它具有光的双稳态性质。晶态与非晶态两种状态的折射率和吸收率明显不同，根据反射率和透射率的差异读出。 光存储器一般采用以硫 (S)、硒(Se)或碲(Te)为基的硫系非晶态半导体，可用真空蒸发或射频溅射法大面积淀积薄膜，并可通过改变材料成分来连续改变材料的光学性质。所用的激光波长范围从紫外到红外辐射。

光信息记录在非晶态半导体的光盘上，用激光束聚焦为亚微米的光斑。每平方微米材料写入信息所需的激光能量为0.1～0.2纳焦。如圆盘转速为每分钟1800转，光盘上激光功率可小于10毫瓦。所记录的图像质量良好，分辨率超过1000条对每毫米。点的尺寸没有衍射的限制。光照可使晶态转为非晶态，如把激光强度降低三分之二，就可把非晶态转变为晶态。

非晶态半导体存储器可用作高密度、高信噪比的光信息记录介质，存储位数高于2×107位/厘米2，适用于计算机的存储器、大容量数据存储器、用户和工业视频光盘、视频光盘主控制台等，也可用作全息照相的记录介质、超微缩底片等。