双层过渡金属氧化物异质结忆阻器及其阻变机理研究

摘要

自2008年惠普公司利用忆阻器件建立了忆阻器的物理模型以来，忆阻器在新型非易失存储、逻辑运算和大脑神经功能模拟方面都展现出了巨大的应用潜力。近年来随着人工智能的兴起，从硬件上设计并开发出能够模拟人脑学习、遗忘和认知的纳米器件尤为重要。因此利用忆阻器去模拟大脑不同类型的神经功能成为忆阻器研究领域的热点。通过对忆阻器中电极材料的优化选择、制备过程的调控以及器件结构的设计可有效控制阻变过程中的各类物理变量，进而得到能够模拟复杂神经功能的阻变特性。本论文的研究工作主要围绕以上关键内容展开：一、研究了电预处理过程和电极材料对CuO,ZnO,Ta2O5阻变特性的影响规律。二、研究了两种具有pn和nn异质结的忆阻器阻变特性和阻变机理。具体的研究内容如下：
　　CuO是一种常用的价格低廉的半导体材料。采用射频（RF）磁控反应溅射的方式，制备了具有不同氧含量的CuO薄膜，构建了Pt/CuO/Pt器件，在氧含量为8％的CuO器件中实现了单极性和双极性阻变的共存，同时通过控制外加电压的极性，可获得数字型（Digital）和模拟型（Analog）两种不同类型的阻变行为，研究表明电场驱动和焦耳热驱动下氧空位迁移相关的阻变机理。
　　系统研究了电极材料对ZnO和Ta2O5忆阻器性能的影响，采用直流（DC）磁控直接溅射的方式，制备了多种金属电极材料，研究发现了活性电极Ag、惰性电极Pt以及易氧化电极Ti和Al对ZnO和Ta2O5阻变性能具有显著影响。
　　基于p型CuO，n型的ZnO和Ta2O5，构建了Ag/Ta2O5/CuO/Pt和Pt/Ti/Ta2O5/ZnO/Pt两种分别具有pn和nn异质结结构的忆阻器件。Ag/Ta2O5/CuO/Pt具有连续易失性的阻变特性，利用连续的相同脉冲可实现电导的持续增强和抑制，这种特性是模拟突触长时程增强（LTD）和长时程抑制（LTP）可塑性的重要基础，同时利用阻态易失的特点模拟了大脑学习和遗忘的过程。研究发现pn结和空间电荷限制电流（SCLC）导电机制是其阻变产生的原因。
　　Pt/Ti/Ta2O5/ZnO/Pt器件具有量子电导性连续可调的阻变特点，运用这一特性模拟了神经突触的活动时序依赖可塑性（STDP），并且通过多组对比实验，证明了该器件中Ta2O5层可作为一个串联电阻，在电预处理和阻变过程中起到分压和限流的作用，可有效控制导电丝的生长，有利于产生量子电导效应。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 忆阻器的研究和发展

1.3 忆阻器的分类和阻变机理

1.4 论文选题意义及研究内容

第二章 CuO薄膜忆阻器的制备、表征及性能测试

2.1 CuO薄膜器件的制备

2.2 材料表征方法原理

2.3 电性能测试原理

2.4 实验结果分析与讨论

2.5 本章小节

第三章 ZnO、Ta2O5薄膜忆阻器的制备、表征及性能测试

3.1 ZnO薄膜器件的制备

3.2 电性能测试

3.3 Metal/Ta2O5/Pt器件的构建

3.4 器件表征及电性能测试

3.5 本章小节

第四章 基于CuO、ZnO、Ta2O5异质结忆阻器件的研究

4.1 Ag/Ta2O5/CuO/Pt双层型器件的制备

4.2 电性能测试及结果分析讨论

4.3 Pt/Ti/Ta2O5/ZnO/Pt双层型器件的制备

4.4 结构表征，电性能测试及结果分析讨论

4.5 本章小节

第五章 结论

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文和会议摘要