【摘 要】
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当前大数据及人工智能时代对信息储存及处理要求呈几何量级增长,爆炸式增长的信息需要超大容量的存储设备和高效的信息处理系统。忆阻器（memristor）可用于神经形态的计算和信息存储,在模拟实现“类脑”学习记忆等方面有很大的潜能,在神经形态电路中使用忆阻器作为仿生突触可以实现内存和计算所需的高能效和高密度。目前忆阻器性能不稳定是限制其应用的巨大障碍,也是引起神经形态电路误差及难以复制的重要因素。为了从
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当前大数据及人工智能时代对信息储存及处理要求呈几何量级增长,爆炸式增长的信息需要超大容量的存储设备和高效的信息处理系统。忆阻器（memristor）可用于神经形态的计算和信息存储,在模拟实现“类脑”学习记忆等方面有很大的潜能,在神经形态电路中使用忆阻器作为仿生突触可以实现内存和计算所需的高能效和高密度。目前忆阻器性能不稳定是限制其应用的巨大障碍,也是引起神经形态电路误差及难以复制的重要因素。为了从材料组成结构的角度研究影响忆阻器性能及其稳定性的因素,本论文完成了以下研究工作:（1）通过磁控溅射制备的Pt/CeOx/Pt器件在电压扫描时显示出不对称电流-电压（I-V）曲线的整流特性。X射线光电子能谱（XPS）表明,沉积的CeOx薄膜成分不均匀,靠近顶部电极的CeOx中存在的氧空位较多,靠近底电极的CeOx中的氧空位较少。Pt/CeOx/Pt器件电阻变化的不对称可以通过顶部电极附近的CeOx中存在更多氧空位以及肖特基传导机制来解释。（2）为了进一步验证磁控溅射沉积的CeOx层是否均匀。首先在Ar:O2=2:1气氛下沉积CeOx层;然后在Ar气氛下沉积CeOy层,制备出Pt/CeOy/CeOx/Pt结构的器件。使靠近顶电极CeOy层中的氧空位较多,靠近底电极CeOx层中氧空位较少,通过对器件进行电压扫描,出现与Pt/CeOx/Pt器件一致的整流现象,进一步验证了不对称的I-V曲线是由于氧化铈层中氧空位分布不均匀造成的。对于Pt/CeOy/CeOx/Pt器件,施加电压扫描时观察到电阻开关行为,但是由于CeOy层氧空位较多,在施加正偏压时出现氧空位过度迁移,导致器件出现负SET现象（负偏压下氧空位通道断裂,增大负偏压,氧空位通道反向生长,修复断裂的氧空位通道,实现高阻态向低阻态转变的过程）。与Pt/CeOx/Pt器件相比,Pt/CeOy/CeOx/Pt器件不仅可以实现双极性和单极性的阻变特性,而且可以实现负SET过程。（3）制备嵌入金属Al插层的Pt/Al/CeOx/Pt结构的忆阻器,可以实现互补式忆阻（CRS）特性,而且具有较高的开/关比,较小的工作电压,且工作电压的散布性较小。与Pt/CeOx/Pt器件相比,金属Al的插入,增加了CeOx层的氧空位,改善了CeOx薄膜器件性能,器件在Forming之后,在0～±1～0 V的电压扫描下,可以实现互补式阻变过程的循环。（4）制备以TiN为电极的TiN/CeOx/TiN器件的阻变特性。由于在溅射CeOx时溅射产率的问题,溅射初期Ar离子轰击O的溅射产率更高,并且溅射CeOx时的气体环境含有氧气,会与底电极TiN中间形成Ti ON中间层。TiN做电极增加CeOx层中的氧空位含量,器件在形成氧空位通道后,过量的氧空位导致器件不能切换到高阻态（HRS）,一直保持在低阻态（LRS）。与Pt/CeOx/Pt器件相比,TiN/CeOx/TiN器件在Forming之后,一直保持在低阻态,不能实现器件的双极性和单极性阻变过程。根据研究内容及研究结果可以看出,由于CeOx的氧化还原反应的性质,Ce3+与Ce4+之间很容易发生氧化还原反应,并伴随着氧空位的消耗和产生。导致氧空位通道的形成随机而难以控制,因此器件的SET电压不稳定,散布性很大。通过嵌入金属Al插层的Pt/Al/CeOx/Pt结构器件,可以改善器件工作电压的大小和散布性。TiN为电极的TiN/CeOx/TiN器件时,由于进一步增加CeOx中的氧空位,使得器件不能切换到高阻态,可见电极的活性对器件影响很大。总之,阻变材料介质层中的氧空位的多少及分布对器件性能影响巨大。
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