【摘 要】
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人工智能和大数据处理对数据的储存、传输和计算提出了更高的要求。由于传统的计算架构受限于能耗和计算效率,因此忆阻器及由其构建的神经形态电路得到了广泛的关注。目前,虽然含有忆阻器的集成阵列得到了初步研究,但单个忆阻器的阻变性能和性能稳定性仍是制约阵列性能的关键因素。为了从材料组成和器件结构的角度研究影响金属氧化物基忆阻器性能及其稳定性的因素,本论文完成了以下的研究内容:（1）制备内嵌Ag、Al和Ti三
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人工智能和大数据处理对数据的储存、传输和计算提出了更高的要求。由于传统的计算架构受限于能耗和计算效率,因此忆阻器及由其构建的神经形态电路得到了广泛的关注。目前,虽然含有忆阻器的集成阵列得到了初步研究,但单个忆阻器的阻变性能和性能稳定性仍是制约阵列性能的关键因素。为了从材料组成和器件结构的角度研究影响金属氧化物基忆阻器性能及其稳定性的因素,本论文完成了以下的研究内容:（1）制备内嵌Ag、Al和Ti三种金属纳米结构的单层氧化钨基忆阻器件,比较了插入不同金属纳米结构的器件的电学性能,研究更适合氧化钨基忆阻器件的金属材料。通过比较分别嵌入Ag、Al和Ti的器件的电阻开关性能,得出Ti金属更适合作为本实验中氧化钨基忆阻器的插层材料,提高器件性能。（2）比较制备得到的WOx/Ti nanoisland（NI）/Pt器件和WOx/Ti/Pt器件,分析嵌入纳米薄层和纳米岛结构对单层氧化钨基器件开关性能稳定性和阻变机理的影响。结果表明,Ti纳米岛能增加WOx介质层中局部氧空位的含量,增强局部电场,减小氧空位导电细丝（CF）形成的随机性。（3）采用磁控溅射制备了TiN/HfO2/WOx/Ti NI/TiN和TiN/HfO2/WOx/TiN器件,通过插入HfO2层来改善单层氧化钨基器件电阻过小问题,并探究嵌入Ti纳米岛阵列对双层器件阻变性能的影响。两种体系的性能比较表明,在双层器件中,Ti纳米岛仍然可以有效降低器件性能参数的变化。（4）将TiN/HfO2/WOx/Ti NI/TiN器件分别在N2、真空和空气中进行2分钟,400℃的快速退火,并进行性能比较。结果证明在空气中退火后的器件性能改善最为明显。Ti纳米岛的嵌入和空气气氛退火共同调节了器件中氧空位的分布,使器件不仅具有较小的开关电压和开关电压散布性,而且具有较大的电阻和开关比。（5）通过改变材料选择和制备工艺,进一步提高器件的阻变性能和稳定性。由原子层沉积制备的HfO2层作为阻变层,由磁控溅射制备的计量比x≈2的TaOx层作为氧空位库。得到了开关比大,开关电压小,保持性好,具有多电阻状态的Pt/TaOx/HfO2/TiN器件和开关性能稳定的Pt/TaOx/HfO2/Ti NI/TiN器件。本文为纳米岛阵列在忆阻器领域的应用提供了工艺参数和较为系统的实验结果。基于纳米岛阵列制备出了具有较好性能的忆阻器。同时为通过内嵌纳米结构、快速热退火以及材料和工艺选择,多种方法综合改进忆阻单元性能提供了思路。基于此,有望制备出应用于神经形态计算领域的综合性能优异的忆阻器器件。
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