随着新型非易失性存储器(NVM)的出现,如铁电存储器、磁阻存储器、相变存储器和阻变存储器(RRAM),均在存储类存储器、嵌入式非易失性存储器、增强固态磁盘和神经形态计算方面受到广泛应用。像这种NVM器件在密集阵列的“交叉点”中大量存在,可以提供千兆甚至百万兆字节的存储。在这样的阵列中,访问任何小子集的阵列,用于精确读取或低功耗写操作就需要一个很强的非线性I-V特性曲线,使得通过选定单元的电流远远超过非选定单元产生的残余漏电。这种非线性的产生有两种方式,即每个“交叉点”添加一个离散的接入设备,或NVM器件具有高度的非线性I-V特性。如果通过设计外围电路来避免漏电流的产生,势必要增加设计的复杂度和成本。因此本文的研究重点是NVM器件的非线性I-V曲线的产生和性能改进。本文简要概述了“交叉点”存储阵列在电路级的设计,同时提供合适的读电压方案来选定存储单元,并讨论了不同器件结构在减少非选定单元的电流泄漏方面起到的关键作用,如传统的硅半导体器件、氧化物半导体器件、阈值开关器件、氧化物隧穿势垒和基于混合离子电子传导的器件,进而总结出材料本身、界面势垒及材料和界面的共同作用均可以产生非线性的I-V特性。因此本文主要研究的是与双极性RRAM所串联的选通器即1S1R(one Selector one RRAM)中的选通器,该单元结构可以有效减少交叉阵列中未被选择的存储单元所产生的潜行电流,降低静态功耗,从而提高集成度。本文采用第一性原理的计算方法,对交叉阵列中的1S1R单元结构的选通器进行研究。探索其材料、界面结构和性能优化问题;揭示其非线性传导机制和界面电子特性的规律;为交叉阵列中1S1R单元实现较大规模集成及产业化提供理论指导和设计思路。本课题首先研究金红石型TiO2材料的厚度对其禁带宽度的影响,用禁带宽度随电压的变化近似研究材料的非线性,发现在外加电压的作用下,材料越厚阈值电压(Vth)越大,非线性越强。其次,通过投影态密度(PDOS)和局域态密度(LDOS)分析发现材料的非线性是由于O-2p和Ti-3d轨道间存在电子转移;通过制造缺陷,如氧空位(Vo)、氧间隙(Oi)和氧空位-氧间隙对(Vo-Oi)来进一步研究本征缺陷对材料非线性的影响。最后发现Vo浓度的增加不影响Vth,同时在相同的Vth下,Vo浓度越大非线性越强。在具有非线性I-V的TiO2材料基础上,从器件的角度研究电极的影响。本文基于第一性原理研究交叉点阵列中选通器的界面,探索金属和TiO2界面的电子特性,为交叉点阵列中电极的选择提供理论指导和设计思路。首先基于密度泛函理论(DFT)利用广义梯度近似对比研究了 Pt/TiO2/Pt,Ni/TiC2/Ni,Ti/TiO2/Ti三种对称式复合材料结构模型的界面能,发现Pt/TiO2模型的界面能最低,界面体系相对最稳定。其次通过分析态密度图得出金属电极对Ti02材料的影响,对于界面处的TiO2材料来说禁带中的量子态受电极的影响最明显。价带顶是由O-2p轨道贡献,导带底由Ti-3d轨道贡献,经过分析得出禁带中的量子态是由O-2p轨道产生,这是因为O-2p轨道和电极金属的3d轨道产生了杂化现象。最后通过垂直电极方向上的电势分析和差分电荷密度的计算,证明了电负性大的电极,其模型在界面处有净电荷发生了转移;同时在该结构中电势差在界面处最大,化学键的形成进一步证明了界面结合的紧密。因此从模拟的角度确定了电负性大的电极材料有利于器件的整流,进而增强器件的非线性I-V特性来解决电流的泄露和降低器件功耗。综上所诉,材料的厚度可以调节Vth,VO缺陷的浓度可以改进非线性,电极的选择可以得到一个结构稳定和高整流特性的器件。因此,基于Ti02材料的选通器能被灵活应用于未来1S1R的双极性RRAM中。