金属氧化物阻变器件是一种新型电子器件，其典型结构为金属-氧化物-金属。在外电场的作用下，器件可在高、低阻态间发生可逆转变，且其高、低阻态在撤销电场后仍能够保持。金属氧化物阻变器件由于丰富的物理效应、独特优异的器件性能及其在数据存储与处理方面的潜在应用，成为当前电子工程和凝聚态物理前沿性研究领域热门的研究课题。作为数据存储器件，和传统的电荷型存储器相比，金属氧化物阻变器件可实现快的的读写时间(＜1ns)、操作电压较低(＜2V)、简单的器件结构、良好的微缩能力（Scalability）、低成本和高密度集成潜力等，因此有希望成为新一代存储器技术之一。作为数据处理器件，阻变器件可以实现具有第四种基本的电路元件——忆阻器的功能，能够实现非挥发逻辑。此外，可以利用阻变器件模拟神经突触的功能来实现电子神经网络可同时进行高效的并行运算及存储，从而实现如图像识别条件反射等复杂的逻辑功能。　　阻变器件在其技术发展、研究与应用中，目前仍面临器件机制与模型、特性与可靠性表征、器件材料与结构的优化选择、系统集成与设计及应用等方面的挑战。本论文针对阻变器件研究与应用面临的关键科学与技术问题，在氧化物阻变器件的特性和可靠性表征方法、相关的物理机理、改进途径等方面，开展了系统的研究，取得了系列创新研究成果。本论文完成的主要研究工作和取得的创新研究成果包括:　　1.在深入理解氧化物阻变器件阻变机理的基础上，提出并建立了关于氧化物阻变器件操作与性能表征的技术与方法，其中包括:器件初始化与开关的优化操作模式;器件直流和交流与温度特性及其寄生效应表征;器件的耐久性、保持性、与读写扰动等可靠性性能的表征与优化技术方法;影响器件电学特性的关键物理参数提取方法等;这些技术方法的建立，为器件与电路系统的优化设计、性能预测与评估，提供技术支持与理论指导。　　2.研究了氧化物阻变器件的耐久特性、保持特性、读写扰动性等可靠性特征与相关的物理机理，在国际上首先报道了氧化物阻变器件中四种典型耐久特性失效现象，提出并验证了相应的物理机理，建立了相关的预测表征模型。研究表明，氧化物阻变器件的数据保持失效主要源于氧空位的随机生成与复合、氧空位与氧离子扩散特性相关。　　3.研究并探讨了氧化物阻变器件特性与电路系统性能的关联性。基于实际获得的氧化物阻变器件的性能特征，讨论了阻变器件特性，如开关性能的一致性对阵列电路系统性能和可靠性的影响。通过模拟计算，分析了阻变器件阵列中读写串扰的大小;基于所建立的器件物理模型和实验测量的器件性能，通过电路仿真评估了阻变器件阵列电路的性能以及寄生效应对电路可靠性的影响。这些对阻变器件阵列可靠性的认识、对指导阻变器件电路系统的设计和优化有重要意义。　　4.在深入理解影响氧化物阻变器件性能的机制与关键物理参数及其对性能可靠性影响的基础上，设计了一系列优化阻变器件性能与可靠性的操作方法并进行了相关的实验验证。研究表明，通过优化操作模式来调节阻变层内部的电场，更好地控制导电通道的通断过程，从而提高阻变器件的一致性、耐久特性以及多阻态阻变器件的可靠性。利用优化操作模式，氧化物阻变器件的开关次数可从106显著增加到109次　　5.基于纳米垂直环栅晶体管技术平台，提出并演示利用纳米垂直环栅晶体管作为控制管实现了高密度、低功耗、高可靠性集成的的阻变器件阵列单元结构。研究结果显示，所提出并实验制备的阵列单元结构，具有良好的阻变性能控制功能，可作为电子神经突触用于实现电子神经网络系统中，为探索氧化物阻变器件新的应用领域，提供了良好的研究基础。