忆阻器是一种具有广阔发展潜力的新原理器件,具有结构简单、速度快、功耗低等优点,集存储和计算于一体,能够实现非易失存储、存内逻辑计算、神经形态计算等功能,有望给半导体产业带来突破。但目前忆阻器的发展还不完善,性能仍有待改进。本文对氧化铌基阻变器件展开研究,分析器件的发展现状,优化阻变存储器件的多值性与阻变选通器件的稳定性,并分析了器件的非线性特性,为器件实际应用奠定器件基础。论文主要工作如下:第二章综述了氧化铌基阻变存储器件与阻变选通器件的发展现状,并对影响器件多值性和稳定性的关键物理因素进行了分析。首先,介绍了忆阻器的发展并对常见机理进行了分类。其次,综述了氧化铌材料在阻变存储器件和阻变选通器件的研究进展,并指出器件的多值性能和稳定性能有待优化,引出本文的研究内容。最后,分析了影响阻变存储器件和阻变选通器件的关键物理因素,为后续调控方案的设计奠定了理论基础。第三章通过退火工艺改进了氧化铌基阻变存储器件的多值性。首先介绍了器件的基本设计思路,包括设计目标、材料选择和结构设计。其次,设置了不同参数的退火实验,得到了多值化性能理想的退火工艺参数。然后,对器件进行了制备和性能测试,测试结果显示,较已报道的氧化铌阻变存储器件,通过退火工艺制备的氧化铌阻变存储器件在多值性能方面有明显的提高。最后,通过将忆阻器在语音识别中应用,进一步验证了器件的性能。第四章通过掺杂工艺改善了氧化铌基阈值开关器件的稳定性。首先介绍了氧化铌基阻变选通器件的基本设计思路。其次,介绍了掺杂工艺选择的材料和参数设置。然后,对器件进行了制备和性能测试,通过掺杂金属活动性更强的钛元素,吸收了阻变层过多的氧元素,抑制了阻变层中Nb2O5的生成,相比于未掺杂的氧化铌阻变选通器件,开关电压和高阻值的稳定性提升一倍以上。最后,设计了基于氧化铌阻变选通器件的电荷泵电压反转电路,验证了器件的性能,拓展了器件的应用场景。第五章分析了氧化铌基阻变存储器件非线性特性与其调控策略。首先介绍了氧化铌器件的非线性特性与阻变存储器件的非线性特性应用。然后利用阻变存储器件的非线性特性设计了神经网络激活函数电路,可调整的非线性特性提高了神经网络的性能,同时该设计也拓展了非线性特性的应用场景。最后,分析了阻变存储器件导电机理,提出了调控器件非线性特性的方案。