【摘 要】
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在过去的几十年里,互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor,CMOS）晶体管的不断缩小为计算和信息技术的指数级进步做出了贡献。但是如今,由于处理单元和内存单元之间工作速度差距的急剧增加,传统的冯-诺伊曼架构中,这些单元之间的数据移动开始成为影响能耗和系统吞吐量的最主要因素。于是人们开始研究新型的人工神经网络架构和神经形态计算,忆阻器是其中
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在过去的几十年里,互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor,CMOS）晶体管的不断缩小为计算和信息技术的指数级进步做出了贡献。但是如今,由于处理单元和内存单元之间工作速度差距的急剧增加,传统的冯-诺伊曼架构中,这些单元之间的数据移动开始成为影响能耗和系统吞吐量的最主要因素。于是人们开始研究新型的人工神经网络架构和神经形态计算,忆阻器是其中重要的组成部分。利用磁控溅射和光刻技术为工艺手段,本文制备了基于HfOx和HfOx:Ag单阻变层的两种忆阻器,实现了“模拟开关”和Forming-free特性;本文还制备了基于HfOx:Ag/HfOy和HfOx:Ag/AlOx双阻变层的两种忆阻突触,实现了在连续激励和脉冲激励下忆阻器的突触行为。主要研究成果如下:（1）研究了Ag/HfOx/p++-Si忆阻器的基本I-V、开关比、高低阻态电流值在不同激励条件、不同厚度、不同阻变层氧含量下的特点,结果显示Ag/HfOx/p++-Si忆阻器的I-V曲线具有缓变特点,是一种非易失性的“模拟型”电阻开关,但是开关比并不大,约40左右,并且伴有明显的Forming过程,并不十分适合用于忆阻突触。通过分析Ag/HfOx/p++-Si忆阻器各组测试数据,得到适用于Ag/HfOx/p++-Si忆阻器的各项参数最佳区间,并提出对忆阻器介质层进行掺Ag消除Forming的改进方法。（2）制备了Ag/HfOx:Ag/p++-Si忆阻器以消除Forming现象的出现,通过实验结果可知,掺Ag的方法使我们获得了Forming-free的器件,但是由于Ag的掺杂使忆阻器介质层电阻降低,进而增大高阻态电流值,最终导致器件开关比大幅降低至3左右。于是提出保持掺Ag操作,加入第二阻变层的改进方法。（3）使用HfOx:Ag作为第一阻变层,加入一层高氧含量的HfOy做第二阻变层,制备出Ag/HfOx:Ag/HfOy/p++-Si器件,随后对器件基本I-V、开关比、高低阻态电流作出测试。发现在加入HfOy第二阻变层后,器件能够稳定工作,并且由于高阻态电流的降低,开关比表现出明显的增大,在100左右。于是我们对器件的突触性能进行测试,得到的结果显示器件在连续激励下可以实现良好的单向调控、短时可塑性和多级记忆行为,但器件的长时记忆衰退比例达到42%,不是十分理想。（4）为了更进一步优化器件性能,扩大器件的开关比,增强器件的记忆能力,我们采用AlOx作为第二阻变层,制备结构为Ag/HfOx:Ag/AlOx/p++-Si的器件,并对器件基本I-V、开关比、高低阻态电流作出测试,发现在改变器件第二阻变层材料后,器件的开关比又明显提至300-3000左右,并能相对稳定工作。于是我们对器件的突触性能进行大量测试,得到结果显示器件能够良好地实现单向调控、短时可塑性和多级记忆行为,并且器件的长时记忆衰退问题得到改善,衰退比例仅为10%。在此之上,我们还对器件在脉冲模式下的脉冲幅度可塑性、脉冲宽度可塑性和脉冲频率可塑性进行了研究。
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