基于導電氧化物-金屬界面憶阻器的研究.pdf

1、經(jīng)由神經(jīng)突觸相互連接所構(gòu)成的人類大腦神經(jīng)系統(tǒng)，被認為是一個具有學習和記憶能力的認知網(wǎng)絡。并且隨著半導體集成工藝和人工智能的飛速發(fā)展，使得人類對于器件在存儲與邏輯運算的要求越來越高。若能實現(xiàn)具有模擬神經(jīng)突觸基本功能的電子器件，并利用其構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡，將對計算機硬件的發(fā)展產(chǎn)生革命性的影響?；谏鲜鲂枨?，憶阻器被認為是最能實現(xiàn)數(shù)字信息存儲與模擬神經(jīng)突觸的電子元件，本論文在這一研究背景下，選用金屬（Al，Cr，Sm，Ti，Ag，Pt）與導電氧

2、化物（ITO，Nb:SrTiO3）分別作為頂電極和底電極。在利用直流磁控濺射沉積薄膜的過程中通過金屬掩膜制備出基于金屬/導電氧化物點接觸結(jié)構(gòu)的憶阻器件單元，研究了電學參數(shù)、電極尺寸以及真空退火處理對器件阻變存儲特性的影響。除此之外，還探討了不同測試方法下對金屬/導電氧化物點接觸結(jié)構(gòu)憶阻器數(shù)字與模擬特性共存的調(diào)控，并獲得了相應的實驗數(shù)據(jù)支持。總的來說，本論文的主要研究內(nèi)容及成果包括以下幾個部分：
　?。?）利用直流磁控濺射，在室溫下

3、制備出惰性金屬/ITO點接觸憶阻器。通過對其進行電學性能的測試發(fā)現(xiàn)，被測器件單元在經(jīng)歷一個較大電壓的初始化過程后（0V→+5V→0V）表現(xiàn)出雙極性阻變存儲行為。在Ag/ITO憶阻器中通過改變限制電流（10mA，20mA，40mA，100mA）實現(xiàn)對器件電阻的有效調(diào)控，證實多級存儲特性的存在。通過對I-V曲線的擬合揭示惰性金屬/ITO憶阻器的憶阻機理——電場作用誘導界面氧空位/氧離子的遷移。
　?。?）在ITO上沉積活性金屬（Al，

4、Cr，Sm）制備出活性金屬/ITO點接觸憶阻器。對Al/ITO進行電學性能測試，顯示被測樣品在經(jīng)過與掃描電壓相同的初始化過程后（0V→+3V→0V→-3V→0V），表現(xiàn)為置位電壓與復位電壓相差較大的非對稱雙極性阻變行為。為實現(xiàn)對界面的有效調(diào)控，對Al/ITO進行真空退火處理，其I-V測試結(jié)果顯示器件無需初始化過程便具備對稱性的雙極性阻變存儲行為。與室溫沉積Al/ITO樣品相對比，真空退火后Al/ITO（400℃，4h）功耗減小約一個數(shù)量

5、級，開關(guān)比增大約101～102，并表現(xiàn)出良好的抗疲勞性（>150循環(huán)周期）和穩(wěn)定信息保留（>104s）。最后，利用X射線光電子能譜和透射電鏡揭示了Al與ITO界面自形成AlOx的存在，提出了電場作用下氧空位/氧離子遷移所導致的界面層氧化還原模型。
　?。?）利用Nb:SrTiO3（摻雜濃度0.7wt％，晶面取向<100>）單晶襯底作為底電極，采用直流磁控濺射制備出Al/Nb:SrTiO3點接觸憶阻器，對其電學性能進行研究發(fā)現(xiàn)，在界

6、面層和肖特基接觸勢壘的雙重作用下，器件的I-V特性表現(xiàn)出明顯的遲滯、整流和非線性阻變特征。通過650℃真空退火處理1h后，器件的循環(huán)特性（>100循環(huán)周期）與保留時間（>104s）測試顯示其具有較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)存儲能力。同時，通過改變限制電流和電壓的大小實現(xiàn)對復位過程電阻的調(diào)控，表現(xiàn)出多級存儲特性。最后利用高分辨透射電鏡和能譜分析揭示真空退火處理對于Al/Nb:SrTiO3界面處氧空位的調(diào)控，從而達到優(yōu)化器件阻變存儲能力的目的。
　

7、?。?）利用直流和脈沖測試模式對Ag/ITO，Al/ITO，Al/Nb:SrTiO3進行模擬特性測試。通過直流測試模式（重復性I-V，不同測試速率下電流變化）和三角波信號輸入，得到輸出的電流與時間相關(guān)變量（測試周期，掃描速率，工作時間）之間符合I=I0+Aexp(t/τ)關(guān)系，從而表現(xiàn)出模擬神經(jīng)突觸的短時記憶特性。而在脈沖模式下保留時間測試和恒定電壓作用下，輸出的電流與時間的關(guān)系符合Wickelgren定律（I=λ(1+βt)-ψ），從