二元金屬氧化物基憶阻器的阻變與類神經(jīng)功能研究.pdf

1、隨著人類社會高速發(fā)展，爆炸式增長的海量信息需要超大容量的存儲設(shè)備和高效的信息處理系統(tǒng)。傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)遵循著“摩爾定律”發(fā)展，其器件尺寸即將達(dá)到物理極限。憶阻器，作為與電阻、電容、電感并列的第四種基本無源電子器件，因其獨(dú)特的非線性電學(xué)特性，可用于信息存儲、邏輯運(yùn)算以及神經(jīng)形態(tài)計(jì)算，有望給半導(dǎo)體工業(yè)帶來新的突破。本論文研究了基于兩種二元金屬氧化物WO3和MoO3的，具有薄膜結(jié)構(gòu)和一維納米結(jié)構(gòu)的憶阻器件的阻變性能與機(jī)理，模擬了突觸可塑

2、性和再可塑性（Metaplasticity）等重要神經(jīng)功能，主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）采用磁控濺射技術(shù)，制備出了具有交叉線結(jié)構(gòu)的Pt/WO3/Pt薄膜器件。該器件表現(xiàn)出完全易失性的雙極性阻變和明顯的負(fù)微分電阻效應(yīng)。結(jié)合器件整流效應(yīng)研究、導(dǎo)電機(jī)制擬合和等效電路分析，發(fā)現(xiàn)該雙極性阻變源于頂電極Pt與WO3薄膜的界面態(tài)對電子的捕獲與去捕獲。
　?。?）調(diào)整器件制備工藝參數(shù)，在電預(yù)處理后器件可實(shí)現(xiàn)多功能雙極性阻變。電預(yù)處理時(shí)，觀

3、察到Pt/WO3/Pt薄膜器件產(chǎn)生氣泡。此時(shí)器件內(nèi)部有Magnéli相形成。通過改變電刺激參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了多種雙極性阻變。其中，兩種雙極性阻變可以相互轉(zhuǎn)換，可用于非常規(guī)多值存儲；另外一種雙極性阻變電阻態(tài)具有部分易失性，且在電脈沖作用下可以發(fā)生連續(xù)改變，這種性能可模擬生物突觸的可塑性。通過系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)這些雙極性阻變和導(dǎo)電絲的形成與斷裂、缺陷態(tài)對電子的捕獲與去捕獲、氧空位對肖特基勢壘的調(diào)節(jié)有關(guān)。
　?。?）阻變器件的失效研究有助于探索

4、提高器件抗疲勞性的方法。針對Pt/WO3/Pt雙極性阻變器件，研究了器件的失效恢復(fù)方法。研究認(rèn)為SET操作中過高脈沖會產(chǎn)生有序的氧空位緊密結(jié)構(gòu)，致使器件失效。而恰當(dāng)?shù)鼗謴?fù)操作可以產(chǎn)生一定量的焦耳熱，熔斷該結(jié)構(gòu)，從而使器件恢復(fù)工作。
　?。?）利用Pt/WO3/Pt憶阻器件，模擬了多種突觸可塑性，包括短時(shí)程可塑性、長時(shí)程可塑性和活動時(shí)序依賴可塑性，并首次成功模擬了突觸的再可塑性，系統(tǒng)研究了突觸前和突觸后脈沖對施加的順序和時(shí)間間隔對活

5、動時(shí)序依賴可塑性的影響。再可塑性是大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)特性的基礎(chǔ)，該研究能夠?yàn)樯窠?jīng)形態(tài)計(jì)算提供指導(dǎo)意義。
　?。?）一維納米材料由自底向上的方式合成，其理論尺寸可以很小，由此可制備高密度器件。本論文研究了基于一維納米結(jié)構(gòu)的 Pt/WO3/Pt與 Au/MoO3/Au阻變器件。采用水熱法合成了WO3納米帶和MoO3納米帶，結(jié)合光刻技術(shù)，制備出了基于一維納米結(jié)構(gòu)的憶阻器件。研究發(fā)現(xiàn)，WO3納米帶基器件表現(xiàn)出易失性雙極性阻變，這可能源于缺