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21世纪大数据时代对高密度信息存储需求越来越迫切,传统闪存存储器面临21nm技术节点的物理尺寸极限,越来越难以满足与日俱增的高密度集成应用需求。因此新兴非易失性存储器,如铁电存储器、磁阻存储器、相变存储器以及阻变式存储器应运而生。阻变式存储器（RRAM）因其优异的存储特性脱颖而出,并相继在众多材料中实现。其中,TaOx基阻变器件被报道1012次方高耐擦写能力、105ps/120ps超快开关速度以及纳米尺度可缩小能力等极具竞争力的性能指标,成为三星等电子公司和科研机构研究热点,但是依然存在制约其进一步实际应用的瓶颈问题,例如高操作电流、阻变参数波动性以及集成串扰等问题。TaOx基阻变器件是基于氧离子迁移型非易失性存储器,因此,构建导电通道的氧空位浓度、分布、含量等是影响器件性能和阻变运行物理过程重要因素。本论文基于这三个角度展开工作,目的改善器件性能并深入探究阻变机理,具体研究内容如下:1.调节氧空位浓度角度,发展获得超低功耗器件有效手段:首先,通过调节生长制备过程氧分压含量,探究薄膜内部缺陷浓度与阻变过程参数的依赖关系,进一步,通过简单Gd掺杂方法抑制薄膜氧空位生成增加离子迁移势垒,平衡超低功耗运行与保持性的两难问题。这里利用稀土Gd与O之间强电负性差值,促进薄膜内部非晶格氧含量降低,并通过一系列不同掺杂浓度XPS测试比对验证,优化器件实现1μA操作电流DC模式2000组循环无衰退,外延85oC保持十年之久。其单次运行功耗值低至60fJ/bit,接近50fJ/spike高能效人脑神经元。2.调控氧空位分布角度,设计阻变通道高度可控性器件:设计Ta2O5-x/Ta2O5-x:Si双层结构器件,通过Si掺杂局域引入氧空位调节缺陷分布,构建“尖锥形”导电通道。结构设计旨在实现阻变局域导通与断裂双过程可控,提高器件参数可靠性。第一性原理计算Si掺杂前后氧空位激活能与迁移势垒差异,并预言其对Ta2O5-x体系开启过程局域氧空位形成与传输促进作用,并分别从XPS、EDS、C-AFM以及变温快速测试结合Arrhenius方程计算核实Si掺杂效应。双层结构器件中,Si掺杂层局域粗氧空位通道作为有序氧空位储存池并诱导上层非掺杂缺氧层生成局域细导电通道,C-AFM层析技术3D立体再现其“尖锥形”通道构型,结合傅里叶方程理论计算局域尖端焦耳热最大为阻变转变区域。于此,我们报道通过原位TEM观察导电通道开启与关闭的动态过程,以此阐明在非掺杂区域可控转变,核实双层结构器件中“尖锥形”CF几何效应设计理念。3.改变氧空位含量角度,探究回避串生互补型器件机理:研究缺陷产生本质诱因电场强度影响因素,解决回避串生CRS器件的制备与性能改善问题。通过调节薄膜与导电通道之间氧空位含量供求关系,归纳总结发生CRS条件（即QS<QR）,并有效应用构筑TaOx基CRS器件。进一步,从电场强度(即EF=VF/toxide)两方面诱因出发,分别调节薄膜制备厚度（不同薄膜制备生长时间）以及初始化实际施加在阻变器件的电压（器件初始化过程限制电流）,以此优化改性CRS器件窗口值与运行功耗,探究CRS行为的场依赖效应,为未来十字叉乘高密度器件集成提出理论参考意义。