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Bi2Te3二维材料的阻变式存储器性能研究

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Bi2Te3二维材料的阻变式存储器性能研究

作者：王昊天湘潭大学

学位级别：硕士

在半导体技术更新换代如此迅猛的当今社会,对于非易失性存储器,我们不仅仅是需求越来越多,甚至对它的性质与效用的要求同样越来越高,如:密度较为密集、速度较为快、灵活性较高、功耗较低、成本低廉、结构简单等。当下,运用较多的非易失... 详细信息

在半导体技术更新换代如此迅猛的当今社会,对于非易失性存储器,我们不仅仅是需求越来越多,甚至对它的性质与效用的要求同样越来越高,如:密度较为密集、速度较为快、灵活性较高、功耗较低、成本低廉、结构简单等。当下,运用较多的非易失性存储器因为本身构造的限制,在存储器集成度不断提高的同时,电荷保持性能大幅下降,器件功耗偏高,已难以达到业界的更高要求,正面临严峻考验。因此,研究就出性能更加优越的新型非易失性存储器具有十分重要的意义。目前,关注度极高的新型非易失性存储器有以下几种:(1)磁阻存储器;(2)铁电存储器;(3)相变存储器;(4)阻变式存储器,前几者因为其自身缺点,还无法广泛运用在半导体技术产业当中去。不同的是,阻变式存储器(RRAM)结构简单、集成潜力大、拥有较高的保持性与较快的读写速度、并且操作电压低,已然成为当下研究中新型非易失性存储器里面的潜力股与佼佼者,深受业界关注。在然界中,很多材料都被证实具有阻变特性,将其主要分为以下几类:(1)二元金属氧化物,如:NaO,FeO,GO等;(2)三元钙钛矿型氧化物,如:BiFeO;(3)金属有机框架MOF材料;(4)蛋白质等各种各样的氧化物以及绝缘材料。本论文研究的BiTe具有三维强拓扑绝缘体结构,它拥有简单的表面状态结构以及特殊带隙。本论文对BiTe材料阻变式存储器的性能改善做了系列工作。首先,从BiTe纳米片准备方法入手,阐述了化学气相沉积法(CVD)制备BiTe材料的工艺过程分析生长条件对其制备器件的性能的影响。此篇论文主要采纳溶剂热合成的方法,也就是俗称的水热法,准备BiTe纳米片阻变介质材料。得出在准备BiTe纳米片过程中,NaOH浓度不同,存储器阻变特性不一的结论,其中以NaOH浓度8mol/L最佳。其次,在将BiTe材料制备成器件的过程中,发现制备器件手段不同,器件所展示的阻变特性也会有所区别,最终确定抽滤转移的制备方法能够较好的展示器件的阻变特性。紧接着,我们对BiTe材料进行掺杂氧化石墨烯(GO),发现阻变性能有所提高,对器件施加应力也不会改变其阻变特性,然后分析了BiTe材料阻变式存储器的导电机理。最后,对本文系列实验工作总结,对阻变式存储器做出展望。

关键词： Bi2Te3纳米片材料 Bi2Te3/GO复合材料阻变式存储器

基于忆阻器的脉冲神经网络硬件加速器架构设计

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物理学报 2022年第14期71卷 298-306页

作者：武长春周莆钧王俊杰李国胡绍刚于奇刘洋电子科技大学电子科学与工程学院成都610054

脉冲神经网络(spiking neural network,SNN)作为第三代神经网络,其计算效率更高、资源开销更少,且仿生能力更强,展示出了对于语音、图像处理的优秀潜能.传统的脉冲神经网络硬件加速器通常使用加法器模拟神经元对突触权重的累加.这种设... 详细信息

脉冲神经网络(spiking neural network,SNN)作为第三代神经网络,其计算效率更高、资源开销更少,且仿生能力更强,展示出了对于语音、图像处理的优秀潜能.传统的脉冲神经网络硬件加速器通常使用加法器模拟神经元对突触权重的累加.这种设计对于硬件资源消耗较大、神经元/突触集成度不高、加速效果一般.因此,本工作开展了对拥有更高集成度、更高计算效率的脉冲神经网络推理加速器的研究.阻变式存储器(resi-stive random access memory,RRAM)又称忆阻器(memristor),作为一种新兴的存储技术,其阻值随电压变化而变化,可用于构建crossbar架构模拟矩阵运算,已经在被广泛应用于存算一体(processing in memory,PIM)、神经网络计算等领域.因此,本次工作基于忆阻器阵列,设计了权值存储矩阵,并结合外围电路模拟了LIF(leaky integrate and fire)神经元计算过程.之后,基于LIF神经元模型实现了脉冲神经网络硬件推理加速器设计.该加速器消耗了0.75k忆阻器,集成了24k神经元和192M突触.仿真结果显示,在50 MHz的工作频率下,该加速器通过部署三层的全连接脉冲神经网络对MNIST(mixed national institute of standards and techno-logy)数据集进行推理加速,其最高计算速度可达148.2 frames/s,推理准确率为96.4%.

关键词：脉冲神经网络阻变式存储器存内计算 LIF 神经元硬件推理加速器

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基于RRAM存算一体化的逻辑运算电路设计

基于RRAM存算一体化的逻辑运算电路设计

作者：徐鸿运安徽大学

学位级别：硕士

随着人工智能、图像识别等新兴领域的快速发展以及智能电子设备的普遍应用,电子设备所需要处理的庞大数据量对于传统冯·诺依曼计算结构带来了更大的挑战。传统冯·诺依曼的电路结构由于存储器单元与处理器单元的分离,导致电路在数据处... 详细信息

随着人工智能、图像识别等新兴领域的快速发展以及智能电子设备的普遍应用,电子设备所需要处理的庞大数据量对于传统冯·诺依曼计算结构带来了更大的挑战。传统冯·诺依曼的电路结构由于存储器单元与处理器单元的分离,导致电路在数据处理过程中多次存取计算数据产生“内存墙”和“功耗墙”的问题,为了解决这一问题“存内计算”应运而生。通过在存储器中实现数据的并行多行处理,从而提高数据的处理速度、降低运算所产生的功耗。阻变式存储器(Resistive Random Access Memory,RRAM)由于其存储数据的非易失性以及器件的“三明治”结构—阻变材料由上下两个电极包裹,为存内计算架构提供了更多的可能。基于上述背景本文提出了一种4T3R-RRAM存储器单元主要工作如下:首先,本文对4T3R-RRAM存储结构的四种输入数据(00、01、10、11)完成数据的写入、运算、输出全过程的仿真验证。其次,由于实际制备工艺中电化学工艺的随机性导致阻变式存储器的阻值也是随机的,阻变式存储器的高低阻态并不是一个确定的阻值,其阻值整体是符合正态分布的范围值,由于不同阻变材料具有不同的阻变特性及阻变范围,当高阻态与低阻态的阻值裕度过小时,会造成阻态交叉从而使逻辑运算输出结果错误,因此本结构通过仿真验证AND、OR逻辑运算高低阻之间的裕度,确定本结构可以避免由于阻态交叉所造成的逻辑运算错误。第三,本结构的核心思想是通过下拉电阻控制晶体管的关断完成数据的运算,本文通过在不同下拉电阻下仿真测试数据存储单元的阻态变化而分析下拉电阻的下拉能力对阻变式存储器的影响并确定下拉电阻的最低阻值要求。第四,通过对比多种RRAM存内计算单元结构的逻辑运算步骤可以看出本结构在异或运算中可以需要更少的运算步骤。第五,在保证其逻辑功能正确的前提下在不同工艺脚、不同温度下对本单元结构的功耗进行仿真分析并找出功耗的影响因素提出降低功耗的设计思想。最后对本结构的逻辑运算进行1000次蒙特卡洛仿真分析其运算成功率,并分析影响各个逻辑运算成功率的影响因素。

关键词：存内计算阻变式存储器布尔逻辑运算阻态交叉

基于非易失存储器的边缘端时间域智能处理核研究

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基于非易失存储器的边缘端时间域智能处理核研究

作者：杨思琪电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,人工智能算法快速发展,部署人工智能算法到端侧设备成为研究热点。但是端侧设备多数采用电池供电,对功耗较为敏感,而神经网络中参数量较大,需要大量存储器用于数据存储,以及大量的片内外数据移动,传统的冯诺依曼结构在端侧设备... 详细信息

近年来,人工智能算法快速发展,部署人工智能算法到端侧设备成为研究热点。但是端侧设备多数采用电池供电,对功耗较为敏感,而神经网络中参数量较大,需要大量存储器用于数据存储,以及大量的片内外数据移动,传统的冯诺依曼结构在端侧设备中存在严重的存储墙和功耗墙的问题。针对上述问题,本文提出了基于非易失存储器的边缘端时间域智能处理核,采用分块电源与具有门控时钟的阻变存储器,在空闲时降低存储的功耗。在计算方面,本文提出了时间域计算方法降低计算的功耗,采用定制化的SRAM阵列结合存内计算的方法进一步缓解存储墙问题。本文主要的工作分为以下三个部分:首先,本文分析了端侧设备面临的神经网络部署问题,讨论了阻变存储器、存内计算及时间域计算的国内外发展的现状。同时,本文对比分析了传统数字域、模拟域与时间域计算的优势及劣势,并设计了高精度的时间域计算方法及时间域计算电路单元,定制化的设计了9T-SRAM单元与时间域存内计算电路,该电路能支持高精度的时间域MAC(乘加)运算。其次,在存内计算与时间域计算电路的基础上,设计了基于时间域的存内计算阵列,该计算阵列可以减少计算电路的晶体管翻转与数据搬移,从而降低了神经网络推理时带来的计算与搬移功耗。接着,为了在边缘端存储神经网络推理所需的大量参数,本文设计了分块时钟与电源门控的阻变存储器模块。该存储器被分为多个存储块,不同的存储块可以独立的的进行时钟或电源门控。在推理过程中,仅需要开启其中一个块进行参数读取,其他块进入电源门控或者时钟门控状态,从而降低存储时的功耗。最后,本文采用集成电路前后端设计流程对以上技术进行验证及功耗分析,采用中电250nm工艺对时间域存内计算电路进行了定制化设计,并实现了版图设计及流片。在阻变存储器方面,采用台积电22nm实现了大容量阻变存储器的芯片设计及流片验证,证明了本文提出的细粒度门控的功能。并采用台积电22nm工艺实现了相关控制电路及计算电路的分析,证明了工作状态下时间域计算电路的功耗相比数字域减少了2.5倍,工作时阻变存储器功耗为静态随机存储器的十二分之一。最后,我们采用时间域存内计算电路技术和阻变存储器实现了ECG智能处理器,进行完整的功耗分析,其在连续工作下6.8μW的功耗比其他先进工作更低,证明了该设计在边缘端场景下具有一定的优势。

关键词：端侧设备时间域计算存内计算阻变式存储器

HfO2/TiO2双层结构阻变存储器的阻变性能及机理研究

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HfO2/TiO2双层结构阻变存储器的阻变性能及机理研究

作者：邓腾飞湖北大学

学位级别：硕士

目前人们广泛应用的非挥发性存储器以硅基的浮栅型闪存(Flash)为主。由于Flash存在写入速度低和写操作时的高电压等缺点,且随着CMOS技术尺寸的不断微缩,Flash的隧穿氧化层厚度不断减少,面临无法有效存储电荷的技术瓶颈。近年来,新一代... 详细信息

目前人们广泛应用的非挥发性存储器以硅基的浮栅型闪存(Flash)为主。由于Flash存在写入速度低和写操作时的高电压等缺点,且随着CMOS技术尺寸的不断微缩,Flash的隧穿氧化层厚度不断减少,面临无法有效存储电荷的技术瓶颈。近年来,新一代存储器件,如电阻随机存储器(RRAM)以其存储结构简单、特征尺寸小、读写速度快、低功耗、与现有半导体CMOS工艺相兼容的特点,成为下一代的非易失性存储器件的主要候选之一,引起国内外公司和科研单位强烈的研究兴趣。很多阻变层材料都能产生阻变行为。渡金属氧化物(如HfO、TiO等)具有高介电常数、热稳定性好和宽禁带等特点,被报道具有优异的阻变存储性能。本论文主要研究HfO/TiO双层结构阻变存储器的阻变性能及机理。首先研究了不同气氛的退火工艺对器件阻变性能的影响。发现与制备态的器件相比,氮气退火后器件的阻变性能显著提升。氮气退火器件具有更小的操作电压,且电压的分布更集中。为了阐明退火后阻变性能的变化,紧接着我们对器件的导电机制进行了拟合分析。拟合结果表明,器件在低电阻态时都是欧姆传导机制,而高阻态时电流传导机制不同。发现,制备态的器件高电阻态是空间电荷限制电流(SCLC)机制,而氮气退火后导电机制变为普尔法兰克发射机制。由此,我们推断氮气退火增加了器件阻变层中氧空位的浓度,有助于导电细丝的形成,从而使器件阻变性能提高。总之,氮气退火是提升阻变性能的有效方式。我们进一步在柔性透明的基底上制备了 Pt/HfO/TiO/ITO器件,并重点研究双层结构阻变层的优势。器件阵列在可见光范围内的透过率为80%左右,而且器件在弯曲状态下表现出可重复的阻变特性。与单层HfO作为阻变层的Pt/HfO/ITO器件相比,双层结构的Pt/HfO/TiO/ITO器件操作电压变小。Pt/HfO/TiO/ITO器件的置位/复位电压分布的离散系数分别为9.90%和6.35%,展现了更好的操作电压一致性。我们还进一步还研究了双层结构器件的多级存储特性。通过改变复位过程中的截止电压,Pt/HfO/TiO/ITO器件可以实现多种高阻态的存储,表现出多位存储特性。通过电流电压机制分析,我们认为截止电压的增大使细丝断裂处肖特基势垒的增加,电子更难以越过势垒参与导电,从而使器件高电阻态值增大。本论文通过对Pt/HfO/TiO/ITO器件的制备和阻变性能研究,一方面为优异性能的阻变存储器件的应用研究提供可靠的实验依据,另一方面对该结构存储器机理的探讨具有一定的科学价值。

关键词：阻变式存储器双层结构阻变性能阻变机理

基于Keithley 4200A-SCS的存储器量子效应教学实验设计

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集成电路应用 2023年第10期40卷 22-25页

作者：连晓娟王磊南京邮电大学集成电路科学与工程学院(产教融合学院) 江苏210031

阐述基于Keithley 4200A-SCS半导体参数分析仪的探究性实验的设计,包括样品的准备、Keithley 4200A-SCS电学特性测试、结果分析与讨论,根据电学测试结果与半导体量子器件的物理知识,定量给出了存储器中的工作电流与电压的关系。该实验... 详细信息

阐述基于Keithley 4200A-SCS半导体参数分析仪的探究性实验的设计,包括样品的准备、Keithley 4200A-SCS电学特性测试、结果分析与讨论,根据电学测试结果与半导体量子器件的物理知识,定量给出了存储器中的工作电流与电压的关系。该实验有助于加深学生对RRAM工作机制的理解,锻炼学生的实践水平和探索能力。

关键词：阻变式存储器量子效应 Keithley 4200A-SCS 探索性实验

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氧化锌忆阻器制备及其性能研究

氧化锌忆阻器制备及其性能研究

作者：范思尧华中科技大学

学位级别：硕士

忆阻器是一种非线性无源动态器件,它具有集成度高,擦写速度快,读写电压低,功耗低,CMOS兼容等优势。关于忆阻器的研究已经持续了很多年,但由于各种原因,一直未能走向产业化。目前,已经有很多种材料都被验证具有阻变特性,但受限于纳米尺... 详细信息

忆阻器是一种非线性无源动态器件,它具有集成度高,擦写速度快,读写电压低,功耗低,CMOS兼容等优势。关于忆阻器的研究已经持续了很多年,但由于各种原因,一直未能走向产业化。目前,已经有很多种材料都被验证具有阻变特性,但受限于纳米尺度器件物理表征的匮乏,其微观机理机理一直难有一个准确的解释。相比较于其他材料体,二元金属氧化物的研究比较成熟而且这种材料本身成分简单,易于生产,在未来极具可能应用于RRAM的功能层。氧化锌作为二元金属氧化物材料体系中的一种,不仅具有良好的阻变性能,而且由于材料本身丰富的物理特性,在发展高频、高功率、高温、抗辐射器件上也颇具前景。开展对氧化锌忆阻器的工艺制备及其忆阻机理的研究对忆阻器走向大规模生产具有重要的意义。本文利用磁控溅射镀膜方法分别制备了三层结构和标准的8×8的交叉开关矩阵的氧化锌忆阻器,其中上下电极的厚度分别为500nm、480nm,功能层的厚度为50nm,同时利用Keithley-4200-SCS对器件进行了VI?测试,发现通过改变限制电流可以使器件从跳变的导电丝机制向渐变的均匀导电机制转化;通过对数据整理和曲线的拟合分析,本文从微观角度对器件的阻变现象进行了解释。然后制备了i/Al/ZnOT(490nm/60nm/520nm)和l/Al/ZnOA(540nm/80nm/510nm)的器件,以期待进行一步提高氧化锌忆阻器的阻变特性,然后利用Keithley-4200-SCS对器件进行VI?测试,并结合曲线拟合的方法对其微观机理进行分析。最后对器件的重复性和保持特性特性进行测试,并且得到了较好的性能。通过对实验数据的分析,可以观测到l/Al/ZnOA器件的Set,Reset电压均较小,功耗低,onoffR/R的比值大,重复性好,保持特性强,并且非常有成为RRAM器件的潜力。

关键词：忆阻器氧化锌导电机理阻变式存储器开关特性

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氧化铪基高介电常数薄膜及其阻变性能研究

氧化铪基高介电常数薄膜及其阻变性能研究

作者：詹超湖北大学

学位级别：硕士

随着半导体集成电路产业的飞速发展,传统的SiO2栅介质材料已经无法满足金属半导体场效应晶体管不断微缩的需求。氧化铪基高介电常数材料由于其较大的禁带宽度、良好的热稳定性、较高的结晶温度、良好的界面特性以及与半导体产业兼容等优... 详细信息

随着半导体集成电路产业的飞速发展,传统的SiO2栅介质材料已经无法满足金属半导体场效应晶体管不断微缩的需求。氧化铪基高介电常数材料由于其较大的禁带宽度、良好的热稳定性、较高的结晶温度、良好的界面特性以及与半导体产业兼容等优点,成为了新一代栅介质材料。与此同时,集成电路中的存储技术也面临着诸多挑战。目前广泛应用的硅基浮栅型闪存也在微缩过程中受到了无法有效存储电荷的挑战。阻变式随机存储器(RRAM)因其结构简单、读写速度快、存储密度高且与传统硅集成电路工艺兼容性好等优点,被公认为新一代非易失存储器的最佳候选之一。氧化铪基高介电薄膜作为阻变层材料也是RRAM研究的热点。本文首先对氧化铪基的高介电常数薄膜进行研究。采用磁控溅射的方法制备氧化铪基薄膜,并探讨退火工艺对HfTiO薄膜微观结构和性能的影响。我们发现薄膜在700℃时才达到结晶态。经电学性能测试发现在500℃的退火条件下,薄膜具有最大的的介电常数44.0,最小的漏电流密度1.81×10-7A/cm2;我们认为500℃退火温度下,HfTiO薄膜与Si衬底之间有着最好的界面特性,同时薄膜仍保持在非晶态,由此500℃退火后的薄膜呈现最好的电学特性。在制备获得较好性能氧化铪基薄膜的基础上,我们将其作为阻变层材料应用于阻变存储器的的研制上。我们采用磁控溅射和光刻技术制备了阻变层为钛掺杂氧化铪的阻变存储器件并研究不同退火气氛对RRAM的性能的影响规律。结果表明氮气退火工艺能显著提高ITO/HfTiO/Pt器件的阻变性能。同时,我们结合电流-电压(I-V)拟合机制和光电子能谱(XPS)分析,可以推断出ITO/HfTiO/Pt器件的阻变性能来源于阻变层中的氧空位形成的导电细丝,而氮气退火有利于到导电细丝的形成和断裂,所以能够优化器件的阻变性能。本论文还研究了 2×2平方微米的TiN/HfOs/ITO阻变存储器单元的阻变性能和机理。器件具有优异的阻变性能且在写入操作中呈现“自限流”现象。且器件的操作电压仅0.2 V。基于导电细丝理论,我们分析并证实上述现象是由于ITO活性电极与氧化铪阻变层形成的界面层所造成。该论文通过对高介电常数氧化铪基薄膜及其阻变性能的研究,不仅为高介电薄膜结构及性能优化提供了可靠的实验依据,并且能够成功地将氧化铪基薄膜应用于新一代阻变存储器中,这将对新型存储材料和技术开发具有广泛的应用价值。

关键词：高介电常数氧化铪基薄膜阻变式存储器退火电学性能阻变性能

针对大气纳米颗粒以及其他纳米材料性能的研究

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针对大气纳米颗粒以及其他纳米材料性能的研究

作者：王冰茹苏州大学

学位级别：硕士

纳米科学和纳米技术已经成为现代社会经济发展的必要条件。纳米科学技术的发展与我们日常生活息息相关,像人们平时用的智能手机、电脑、交通运输工具和医学治疗器件等电子设备已经得到广泛的应用。在这篇论文中,我对基于高k和层状电介... 详细信息

纳米科学和纳米技术已经成为现代社会经济发展的必要条件。纳米科学技术的发展与我们日常生活息息相关,像人们平时用的智能手机、电脑、交通运输工具和医学治疗器件等电子设备已经得到广泛的应用。在这篇论文中,我对基于高k和层状电介质的阻变式存储器件的表征、物理效应和机理分析工作进行了总结。本论文主要包含两部分内容,具体如下:第一部分工作中,对一些纳米尺度的高k和层状电介质材料在信息存储技术上的应用以及相关的制备工作进行了研究。信息存储容量正呈指数级增长,根据物联网的飞速发展速度来看,预计在未来十年里,信息存储技术的性能和技巧将会进一步增强。在这个课题中,先探究了层状电介质多层氮化硼(h-BN)在阻变式存储器中的应用,主要是构造金属-绝缘体-金属结构的器件实现阻变开关(RS)功能。测试发现层状介电质h-BN在RS上展现良好的存储性能;随后又探索了不同高介电常数(高k)过渡态金属氧化物在阻变式存储器中的应用,分析得出不同过渡态金属氧化物在纳米尺度的阻变存储器件中的优劣处;最后分别采用六方层状氮化硼和高k氧化钛薄膜电介质材料作为绝缘层材料,通过改变制备条件和储存环境,分析了器件的稳定性,并发现了界面偶极子的屏蔽效应,进一步探索该效应的来源,以及发现通过在制备过程中引入额外的加热处理来减弱电介质屏蔽效应从而提高器件整体的质量和寿命。在第二部分工作中,分析了空气污染物PM0.1的尺寸、形态、力学性能和化学成分等几个方面的性质。人们在日常生活中更多关注的是空气中大颗粒物的性质和影响,忽视了更小颗粒物的研究。实验中利用扫描电子显微镜、能量散射X射线光谱仪和原子力显微镜等仪器对小颗粒物样品进行了测试,观察到PM0.1总是球形链状结构,它们表面也含有大量的碳和氧等化学元素,而且它们有很强的粘附力和形变力,甚至可以粘附到一些第三方物体上,例如AFM探针等。该研究对空气污染的认识提供了新的见解,也对先进过滤器的设计和药物生产提供了有价值信息。

关键词：电介质材料阻变式存储器电介质屏蔽效应 PM0.1