氧化物薄膜忆阻器的材料选择与行为机制研究

论文摘要

突触是神经元之间以及中枢神经系统和身体的其它组织器官之间信息交换的连接渠道,突触可塑性是生物学习和记忆的分子基础。模拟突触的功能是人工神经网络的一个要素。忆阻器可以通过改变其阻态来记忆流经它的电荷数量,从而记忆过往的状态,这类似于人类大脑搜集、理解一系列事物的模式,是最有可能实现神经网络中突触功能的电子组件。通过发展忆阻技术有望构建人工神经网络进而获得仿生类大脑功能的硬件。2008年,HP实验室首次报道忆阻原型器件的实现,此概念早在1971年由蔡少棠根据电路理论的逻辑完整性而提出。忆阻器的发现一经报道,就引起了人们的高度重视和极大研究兴趣。目前已报道的忆阻系统涉及材料种类广泛,并且建立在材料的多种物理性质之上,无统一的普适模型对其行为进行描述和预测。但是通过分析,我们依然可以明确几点：首先,忆阻系统应具有某种结构上的不对称性,并由此产生整流效应,多数忆阻器的电学响应都是建立在这种整流效应之上；第二,忆阻系统的一个典型的特征是,系统可以通过阻态的改变来反映外场加载历史,具有“记忆”功能,该特性也是忆阻系统的一个基本的判据；第三,忆阻系统中阻态变化所反映的状态量的变化很大程度上取决于掺杂离子的迁移随外部条件的变化,不同条件下系统掺杂离子的迁移率以及其变化情况对系统状态量的确定至关重要。通过对忆阻系统的类型以及影响忆阻系统的关键因素的分析,我们分别制备和研究了“数字”和“模拟”型忆阻原型器件,并通过电学行为表征以及其他实验测试手段,对忆阻行为及其产生的微观机制、系统状态量随外场加载历史的变化、器件氧空位迁移率、器件的集成方式等方面分析进行了研究：(1)论证了活性电极的电化学反应在忆阻行为中所起的作用通过对Ti/Al2O3/Pt结构“数字”型忆阻原型器件在电场作用下的伏安特性以及微观结构和成分的研究分析发现：在电场作用下活性电极Ti的电化学反应促使了该原型器件可以在无需强场forming的条件下,实现电阻开关行为；活性电极Ti的氧化还原作用引起氧离子在氧化物层迁移,同时给氧化层中引入大量氧空位,氧空位向界面处的聚集和消散与Ti电极界面层的氧化还原反应的共同作用调节了界面接触势垒,实现了器件电阻态的调节；此外,我们还研究了Ti/Al2O3/Pt“数字”型忆阻器的失效机制,并提供了一种可以使器件恢复方式；(2)首次建立了基于铁电／金属异质结的“模拟”型忆阻系统我们证实了Pt/LiNbO3/Pt结构原型器件能实现忆阻系统所具有的基本特征,其电阻状态随外加周期电压调制呈阻尼性衰减,而且每个周期中输运行为都表现出隧穿机制；通过分析发现,系统阻态的调节反映了势垒状态的变化,随着调制周期的增加,势垒厚度逐渐减小,界面势垒的调制来源于电场作用下的氧空位在下界面处的聚集和消散；我们在实验中观测到了阻态弛豫现象,该弛豫行为与材料中离子(氧空位)的迁移及其迁移率紧密相关。这种弛豫现象类似于神经递质的重吸收和突触权重的衰减,突触权重的衰减与大脑记忆过程中存在的“忘记”行为相关；(3)基于Pt/LiNbO3/Pt结构对不同温场、不同电场下由氧空位迁移引起的瞬态电流的特征进行了分析,并获得了相应的氧空位迁移率参数；(4)结合光刻、剥离、热蒸发、PLD技术等方法,制备了1×n的crossbar结构器件集成阵列,并且通过电学性质测试证明该结构器件可以实现阻态开关行为。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 突触
• 1.1.1 突触简介
• 1.1.2 突触可塑性
• 1.2 忆阻器
• 1.2.1 忆阻的提出
• 1.2.2 忆阻元器件的实现
• 1.2.3 HP忆阻模型
• 1.2 4双极性阻变与忆阻
• 1.3 忆阻系统对突触一些功能的模拟
• 1.4 本论文工作的意义、目的和内容
• 参考文献
• 第二章 M/I/M结构忆阻器接触势垒以及器件中基本电导机制
• 2.1 半导体与金属接触势垒
• 2.2 半导体中的基本电导机制
• 参考文献
• 2O₃/Pt结构忆阻行为研究'>第三章 基于活性电极电化学反应的Ti/Al₂O₃/Pt结构忆阻行为研究
• 2O₃/Pt忆阻原型器件的制备'>3.1 Ti/Al₂O₃/Pt忆阻原型器件的制备
• 2O₃薄膜的ALD制备'>3.1.1 Al₂O₃薄膜的ALD制备
• 3.1.2 电极Ti的PLD制备
• 3.2 制备器件的结构表征
• 3.3 器件的电学行为表征以及行为分析
• 3.3.1 器件忆阻特性表征
• 3.3.2 器件行为分析
• 3.3.3 器件失效行为以及原理分析
• 3.3.4 微结构和化学成分的实验分析
• 3.4 Crossbar结构器件制备
• 3.4.1 忆阻器件集成方式
• 3.4.2 Crossbar结构器件制备
• 3.4.3 制备器件功能测试
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 3/Pt忆阻行为研究'>第四章 基于铁电/金属结整流效应的Pt/LiNbO₃/Pt忆阻行为研究
• 4.1 器件的制备
• 4.1.1 LN铁电薄膜的PLD制备及其性质表征
• 4.1.2 Pt上电极的磁控溅射制备
• 4.2 电学行为表征
• 4.2.1 铁电异质结的整流效应
• 4.2.2 忆阻行为测试与分析
• 4.2.3 系统状态的弛豫现象
• 4.3 氧空位迁移率的表征
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 今后工作展望
• 参考文献
• Publication list
• 致谢