基于導(dǎo)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(rèn)為是一個(gè)具有學(xué)習(xí)和記憶能力的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)。并且隨著半導(dǎo)體集成工藝和人工智能的飛速發(fā)展，使得人類對(duì)于器件在存儲(chǔ)與邏輯運(yùn)算的要求越來越高。若能實(shí)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(luò)，將對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展產(chǎn)生革命性的影響?；谏鲜鲂枨?，憶阻器被認(rèn)為是最能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息存儲(chǔ)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(dǎo)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(dǎo)電氧化物點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)的憶阻器件單元，研究了電學(xué)參數(shù)、電極尺寸以及真空退火處理對(duì)器件阻變存儲(chǔ)特性的影響。除此之外，還探討了不同測(cè)試方法下對(duì)金屬/導(dǎo)電氧化物點(diǎn)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(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持?？偟膩碚f，本論文的主要研究?jī)?nèi)容及成果包括以下幾個(gè)部分：
　?。?）利用直流磁控濺射，在室溫下

3、制備出惰性金屬/ITO點(diǎn)接觸憶阻器。通過對(duì)其進(jìn)行電學(xué)性能的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，被測(cè)器件單元在經(jīng)歷一個(gè)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(chǔ)行為。在Ag/ITO憶阻器中通過改變限制電流（10mA，20mA，40mA，100mA）實(shí)現(xiàn)對(duì)器件電阻的有效調(diào)控，證實(shí)多級(jí)存儲(chǔ)特性的存在。通過對(duì)I-V曲線的擬合揭示惰性金屬/ITO憶阻器的憶阻機(jī)理——電場(chǎng)作用誘導(dǎo)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(diǎn)接觸憶阻器。對(duì)Al/ITO進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試，顯示被測(cè)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(fù)位電壓相差較大的非對(duì)稱雙極性阻變行為。為實(shí)現(xiàn)對(duì)界面的有效調(diào)控，對(duì)Al/ITO進(jìn)行真空退火處理，其I-V測(cè)試結(jié)果顯示器件無需初始化過程便具備對(duì)稱性的雙極性阻變存儲(chǔ)行為。與室溫沉積Al/ITO樣品相對(duì)比，真空退火后Al/ITO（400℃，4h）功耗減小約一個(gè)數(shù)量

5、級(jí)，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(chǎng)作用下氧空位/氧離子遷移所導(dǎo)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(diǎn)接觸憶阻器，對(duì)其電學(xué)性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在界

6、面層和肖特基接觸勢(shì)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(shí)間（>104s）測(cè)試顯示其具有較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。同時(shí)，通過改變限制電流和電壓的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)位過程電阻的調(diào)控，表現(xiàn)出多級(jí)存儲(chǔ)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(duì)于Al/Nb:SrTiO3界面處氧空位的調(diào)控，從而達(dá)到優(yōu)化器件阻變存儲(chǔ)能力的目的。
　

7、　（4）利用直流和脈沖測(cè)試模式對(duì)Ag/ITO，Al/ITO，Al/Nb:SrTiO3進(jìn)行模擬特性測(cè)試。通過直流測(cè)試模式（重復(fù)性I-V，不同測(cè)試速率下電流變化）和三角波信號(hào)輸入，得到輸出的電流與時(shí)間相關(guān)變量（測(cè)試周期，掃描速率，工作時(shí)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(shí)記憶特性。而在脈沖模式下保留時(shí)間測(cè)試和恒定電壓作用下，輸出的電流與時(shí)間的關(guān)系符合Wickelgren定律（I=λ(1+βt)-ψ），從