功能氧化物忆阻器特性调控及电路仿真

作     者：甘鑫 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马海蛟;肖娟秀

授予年度：2022年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：钙钛矿氧化物异质结 氧空位导电细丝模型 负微分电阻 开关比 Simulink 忆阻器功能电路 

摘      要：忆阻器是一种具有记忆功能的新型电学元件,具有同时实现存储和运算的潜力和优势,有望解决冯·诺伊曼瓶颈和存储墙问题。研究人员发现单个忆阻器的尺寸可以小至纳米级别,进而可被应用于高密度存储器。除此之外,忆阻器还具有突触特性,适合人工神经网络的构建。在这些领域中,忆阻器通常被期望具有较高的开关比以明显区分逻辑0和逻辑1。忆阻器种类繁多,其组成涵盖了从有机材料到氧化物的极广范围,堆叠层数也可从三明治结构扩展到多层结构。复杂的结构和过多的堆叠层数不仅增加了工艺复杂度,也使得制造成本大大增加。因此,寻求结构简单且容易制备的忆阻器是一项非常有意义的工作。此外,不同类型的忆阻器,其阻变机理也不尽相同,而对新型忆阻器阻变机理的分析是忆阻器研究的重要组成。基于以上问题,本论文制备了具有负微分电阻（Negative Differential Resistance,NDR）效应的新型点接触阻变器件,并利用氧空位（Oxygen Vacancies,OVs）导电细丝模型和可变程跃迁（Variable Range Hopping,VRH）模型解释了该器件的阻变机制和电输运机制。此外,通过氧空位数量调控和载流子注入等手段实现了阻变性能的优化和NDR效应的调控。最后,利用Simulink建立了忆阻器模型,并实现了逻辑电路和全加器的设计与仿真。本论文的具体工作主要分为以下几个部分:第一、利用脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition,PLD）在钛酸锶（Sr Ti O3,STO）衬底上生长了一层铝酸镧（La Al O3,LAO）薄膜。原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）的测试结果表明,该薄膜的粗糙度为0.2 nm。此后,在LAO薄膜上利用磁控溅射生长铂电极,且与LAO/STO界面的二维电子气（two-Dimensional Electron Gas,2DEG）形成欧姆接触。第二、利用半导体参数分析仪4200A-SCS测试器件的电流-电压特性曲线（I-V）,得到了明显的回滞特性和NDR效应,且器件的高电阻状态（High Resistance State,HRS）和低电阻状态（Low Resistance State,LRS）的阻值分别为300 kΩ和20 kΩ。器件鲁棒性的测试结果表明,器件的I-V曲线较为稳定。第三、利用不同的电输运模型对器件的I-V曲线进行拟合,发现VHR模型的拟合效果最佳。此外,本研究利用OVs导电细丝模型详细阐述了该器件的阻变机制。针对以上两个模型,分别提出退火和载流子注入的方法来提高忆阻器的开关比。本研究首次提出的连续Reset方案可将器件的开关比最大提高到7600（提高两个量级）。第四、利用OVs导电细丝模型成功解释了忆阻器件所表现出的NDR效应。进一步的研究显示,退火和载流子注入对NDR效应具有调控作用。此外,通过对比在不同晶向STO上制备得到的器件特性发现,衬底晶向对点接触器件的阻变特性和NDR效应有很大影响,且与器件性能的可调控行有着密不可分的关系;同时,通过对比器件在不同接触模式下所表现出的特性差异,揭示了各接触模式各自的优缺点并解释了其原因。第五、提出了一种存内运算方案,并在Simulink中设计了具有明显回滞特性和稳定开关比的忆阻器模型,该模型的关键参数均来自于本工作中阻变器件的测试结果。在此基础上采用蕴涵（Imply,IMP）运算方案实现了16个布尔逻辑电路的设计。最后,通过调用不同的逻辑门完成了全加器的设计。