忆阻器具有数字存储所必备优势,如,非易失性、低能耗以及可扩展性等,且忆阻器具有记忆内部状态的能力,可以实现多阻态的存储。忆阻器表现为多阻态存储时,其内部状态变化类似于生物突触的权重调节能力。因此,忆阻器在神经网络中可作为人工突触器件,充当神经元之间负责信息传递的重要角色。尽管如此,忆阻器的开关比、重复性以及状态变化的线性度都难以得到满足。其中,器件的状态变化曲线具有普遍的分段线性的现象,被称为多阻态非线性。氧化钽(TaOx)在忆阻器被研究的早期就已经被用于研制三明治结构的忆阻器,氧化钽基的忆阻器在其他各项性能上已经可以达到应用标准。我们从实验实现和软件模拟两个方面研究了基于氧化钽的忆阻器的制备与多阻态非线性,具体工作如下:(1)我们采用磁控溅射的方法在石英基片上沉积了基于氧化钽薄膜的三明治结构忆阻器,其中顶电极和阻变层通过射频磁控溅射实现,使用高纯度金属钽靶材。底电极使用射频溅射的氧化铟锡(ITO)薄膜。采用半导体参数测试仪测试所制备忆阻器的电学性能,当截至电压为±5V时,样品的开启电压为-4.03V,开关比为10的数量级。(2)研究了不同含氧量溅射气氛、不同衬底温度以及不同溅射时间等工艺参数对TaOx基忆阻器性能的影响;同时研究了Ta、Cu、Ag等三种金属顶电极材料对TaOx基忆阻器性能的影响。本文通过扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)和能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)等手段分析表征介质层薄膜的微结构,气氛含氧量在2%~10%范围内,氧含量越低器件的阻变性能越好;衬底温度为300℃时,器件的稳定性最好;阻变层厚度在75nm~125nm范围内,器件有明显的阻变现象(即,电阻在外加电场作用下,在高阻态和低阻态之间实现可逆转换);相同制备工艺条件下,采用金属Ta顶电极的TaOx忆阻器具有较好的阻变性能,金属Cu和Ag顶电极样品没有测试出阻变现象。(3)在早期的惠普模型的基础上,我们在Matlab平台上实现了对忆阻器的建模,主要采用导电细丝模型的理论机制进行仿真,研究了不同输入刺激信号对忆阻器基本I-V特性以及多阻态的非线性的影响,对忆阻器的多阻态非线性程度进行了清晰的量化,仿真结果表明,对模型施加尖脉冲信号时忆阻器的内部状态变化随着刺激信号数量的增加而趋于平缓,变化曲线呈现先陡后缓的两段式非线性现象。(4)本文还对不同信号刺激下忆阻器的多阻态非线性的变化趋势进行了研究,对比分析了多阻态非线性的两种优化方案。仿真分析的结果表明,第一种优化方案通过在刺激信号后组合一个极性相反的弱幅度信号能够使状态变化曲线的转折点后移,从而使其多阻态非线性得到了优化;第二种优化方案则使刺激信号对模型的状态变化进行实时监控与反馈,以数量级的变化为刺激信号变化的节点,从而使系统能够对输入信号实现按需索求,能够更大程度地实现多阻态非线性的优化。两种优化方案相比,后者的信号实现难度较大,但对于多阻态非线性的优化有更大的意义。