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忆阻器逻辑电路研究

忆阻器逻辑电路研究

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作者：王祥杭州电子科技大学

学位级别：硕士

忆阻器是一种具有记忆型的非线性电阻元件,其数学模型使用磁通量和电荷量变化率的比值来表示。忆阻器的阻值会根据流过自身电荷量的变化而变化,没有电流流过时,阻值会保持之前的状态不改变,因此具备记忆特性。如果在忆阻器两端施加不同... 详细信息

忆阻器是一种具有记忆型的非线性电阻元件,其数学模型使用磁通量和电荷量变化率的比值来表示。忆阻器的阻值会根据流过自身电荷量的变化而变化,没有电流流过时,阻值会保持之前的状态不改变,因此具备记忆特性。如果在忆阻器两端施加不同的控制电压,其阻值会在高阻状态和低阻状态之间转换,这种高低阻态可以用来模拟传统CMOS晶体管的开关状态,构建忆阻器逻辑电路,替代晶体管实现状态逻辑计算。本文在HP实验室提出的忆阻器状态逻辑理论的基础上,使用一种阈值型双极性忆阻器SPICE模型,构建忆阻器串并联电路,分析忆阻器串并联特性。再利用忆阻器串并联电路设计阈值型忆阻器逻辑门电路,探索使用忆阻器实现逻辑门电路的方法,最后搭建硬件电路构成二值忆阻器,验证所设计的逻辑门电路的逻辑功能。本文的研究内容主要有以下几个方面:(1)HP实验室提出的状态逻辑电路,基于蕴含操作的状态逻辑可以实现任意的布尔逻辑运算。研究了基于蕴含操作的逻辑门电路实现方法,分析了蕴含操作逻辑电路设计方法对阈值型忆阻器构建的逻辑门电路影响,对蕴含操作逻辑电路的设计方法进行了介绍和评价。(2)研究了阈值型忆阻器mem RH特性,构建忆阻器串并联电路,分析在不同极性的忆阻器串并联电路情况下,等效忆阻器是否满足紧致滞回特性,仿真结果证明多个忆阻器无论串联还是并联,即使极性不同,其等效忆阻器电路仍然满足紧致滞回特性。(3)利用忆阻器的高低阻态特性可以实现逻辑门电路,未来可以取代传统的CMOS晶体管电路用于逻辑计算。为了研究忆阻器逻辑门电路特性和实现方法,使用阈值型双极性忆阻器构建与门、或门、非门等三种基本的逻辑门电路,以及与非门和或非门两种组合逻辑门电路,探索能实现这五种布尔逻辑功能的电压范围,使用SPICE仿真实验验证了电路的逻辑功能。并与基于蕴含操作的逻辑门电路设计方法进行对比和评价,说明基于阈值型忆阻器设计逻辑电路的必要性。(4)为进一步验证阈值型忆阻器实现的逻辑电路正确性,设计一种有记忆特性的忆阻器硬件仿真电路,使用该电路构建二值忆阻器,实现非门逻辑电路,验证非门逻辑电路的实验结果是否与仿真结果相一致。实验证明使用硬件电路搭建的非门逻辑电路实验结果与仿真结果一致,证明所设计非门电路逻辑功能正确。

关键词：忆阻器高低阻态逻辑电路状态逻辑串并联

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HfO2基铁电薄膜的制备与电性能研究

HfO2基铁电薄膜的制备与电性能研究

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作者：刘潮锋广东工业大学

学位级别：硕士

随着信息时代的发展和高新科技的更新换代,微电子领域俨然走在时代的前沿迅速发展。传统的器件尺寸已经满足不了人们对更小电子设备的追求,因此需要更小尺寸的电子设备也就需要更小的微电子器件。然而传统的MOSFET器件主要栅介质层为Si... 详细信息

随着信息时代的发展和高新科技的更新换代,微电子领域俨然走在时代的前沿迅速发展。传统的器件尺寸已经满足不了人们对更小电子设备的追求,因此需要更小尺寸的电子设备也就需要更小的微电子器件。然而传统的MOSFET器件主要栅介质层为Si O,当需求更小尺寸的MOS器件时,介电常数相对较小的Si O层会导致电子的的直接隧穿效应,即栅极需要承受更大的电场,从而引起漏电流增大和可靠性下降等严峻的问题,间接阻碍了微电子技术的快速发展。同时,光电器件也是研究热点,现在追求易于制备、性能更优、损伤阈值更大的光电二极管。另一方面,阻变随机存储器因为擦写更快,耐久性能更好而成为最热门研究的存储器,可是对其存储机制依然存有很多异议,国内甚至教科书还么有出现忆阻器,并没有重视忆阻器在未来的发展。在存储器领域中,铁电存储器比闪存更快,有望成为替代可擦除只读存储器和静态随机存取存储器铁电薄膜。鉴于以上情形,本文深入研究了高介电常数氧化物Hf O,以代替Si O引起的尺寸效应,另外也发现了Hf O基MOS器件还具备光电二极管性能。首先,我们首次对Au/Hf O/p-Si/Au(MOSM)结构进行了系统的研究。采用磁控溅射法将Hf O镀在干净的p-Si上,再在上下镀上金电极并在氧气氛围750℃下退火制备成光电二极管器件。XPS结果显示Hf O薄膜在紫外频段具有极好的穿透性,使其具有制备成光电二极管的条件。器件的电流电压特性展示出在紫外线强度从1.91 m W/cm增加到到23.5 m W/cm时,器件产生的光电流会越来越大。在8 V偏压下,紫外光强度达到23.5 m W/cm时,器件的光生电流最大值达到了42 m A,与现存应用的光电二极管相比,其产生的光电流可能要更加大。在强注入时,器件依然没有饱和趋势,侧面反映出极高的损伤阈值,另外无论弱注入还是强注入,该器件都具有驰豫特点。其次,进行了HfO基阻变随机存储器的制备和性能机制分析。采用的是最快捷的溶胶凝胶法,制备了Au/Hf O/Pt/Ti/Si O/Si和Au/Hf O/Pt/mica两种不同基底的器件。Au/Hf O/Pt/Ti/Si O/Si器件中Hf O薄膜层晶格氧/缺陷氧之比为0.32,而Au/Hf O/Pt/mica器件的则为0.25,而且两种器件的缺陷氧之比为0.82,导致了两个器件中高低阻态有所差距。对于前者,设置电压和重置电压分别为0.7 V和-0.5 V,而后者则为0.7 V和-0.7V,但是他们的设置电压斜率大概为0.3 V/10 V。Au/Hf O/Pt/Ti/Si O/Si器件的高低阻态比达到1000以上,并且随着循环次数增加,比例逐渐降低至100,然后趋于稳定,另一种器件高低阻态比则只有50,显然比前者的差。最后阶段则进行了HfZrO薄膜的制备和铁电性能探究。使用的制备方法也是溶胶凝胶法,Zr的量本文研究的是0.5和0.7。对于HfZrO薄膜,剩余极化强度为4μC/cm,而HfZrO薄膜的剩余极化强度则为2.8μC/cm,提高退火温度会增加剩余极化强度,同时,频率的改变也会影响电磁回线的宽窄。另外还对这两种薄膜电流电压特性进行了一定的探究和分析,HfZrO薄膜都具备阻变存储器的基本特征,然而却没有保持特性。在铁电二极管方面,我们发现HfZrO薄膜还具备单向极化特性,当施加正向极化时,薄膜会从几乎绝缘的状态转为导电极好的状态,导电状态还会随着极化电压的增加而更好。

关键词：高介电常数光电二极管高低阻态缺陷氧铁电二极管

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