TaOx基憶阻器的制備與研究

發(fā)布時間：2020-03-20 03:02

【摘要】：憶阻器具有數(shù)字存儲所必備優(yōu)勢,如,非易失性、低能耗以及可擴展性等,且憶阻器具有記憶內(nèi)部狀態(tài)的能力,可以實現(xiàn)多阻態(tài)的存儲。憶阻器表現(xiàn)為多阻態(tài)存儲時,其內(nèi)部狀態(tài)變化類似于生物突觸的權(quán)重調(diào)節(jié)能力。因此,憶阻器在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中可作為人工突觸器件,充當神經(jīng)元之間負責信息傳遞的重要角色。盡管如此,憶阻器的開關(guān)比、重復(fù)性以及狀態(tài)變化的線性度都難以得到滿足。其中,器件的狀態(tài)變化曲線具有普遍的分段線性的現(xiàn)象,被稱為多阻態(tài)非線性。氧化鉭(TaOx)在憶阻器被研究的早期就已經(jīng)被用于研制三明治結(jié)構(gòu)的憶阻器,氧化鉭基的憶阻器在其他各項性能上已經(jīng)可以達到應(yīng)用標準。我們從實驗實現(xiàn)和軟件模擬兩個方面研究了基于氧化鉭的憶阻器的制備與多阻態(tài)非線性,具體工作如下:(1)我們采用磁控濺射的方法在石英基片上沉積了基于氧化鉭薄膜的三明治結(jié)構(gòu)憶阻器,其中頂電極和阻變層通過射頻磁控濺射實現(xiàn),使用高純度金屬鉭靶材。底電極使用射頻濺射的氧化銦錫(ITO)薄膜。采用半導(dǎo)體參數(shù)測試儀測試所制備憶阻器的電學(xué)性能,當截至電壓為±5V時,樣品的開啟電壓為-4.03V,開關(guān)比為10的數(shù)量級。(2)研究了不同含氧量濺射氣氛、不同襯底溫度以及不同濺射時間等工藝參數(shù)對TaOx基憶阻器性能的影響;同時研究了Ta、Cu、Ag等三種金屬頂電極材料對TaOx基憶阻器性能的影響。本文通過掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)和能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)等手段分析表征介質(zhì)層薄膜的微結(jié)構(gòu),氣氛含氧量在2%~10%范圍內(nèi),氧含量越低器件的阻變性能越好;襯底溫度為300℃時,器件的穩(wěn)定性最好;阻變層厚度在75nm~125nm范圍內(nèi),器件有明顯的阻變現(xiàn)象(即,電阻在外加電場作用下,在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間實現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)換);相同制備工藝條件下,采用金屬Ta頂電極的TaOx憶阻器具有較好的阻變性能,金屬Cu和Ag頂電極樣品沒有測試出阻變現(xiàn)象。(3)在早期的惠普模型的基礎(chǔ)上,我們在Matlab平臺上實現(xiàn)了對憶阻器的建模,主要采用導(dǎo)電細絲模型的理論機制進行仿真,研究了不同輸入刺激信號對憶阻器基本I-V特性以及多阻態(tài)的非線性的影響,對憶阻器的多阻態(tài)非線性程度進行了清晰的量化,仿真結(jié)果表明,對模型施加尖脈沖信號時憶阻器的內(nèi)部狀態(tài)變化隨著刺激信號數(shù)量的增加而趨于平緩,變化曲線呈現(xiàn)先陡后緩的兩段式非線性現(xiàn)象。(4)本文還對不同信號刺激下憶阻器的多阻態(tài)非線性的變化趨勢進行了研究,對比分析了多阻態(tài)非線性的兩種優(yōu)化方案。仿真分析的結(jié)果表明,第一種優(yōu)化方案通過在刺激信號后組合一個極性相反的弱幅度信號能夠使狀態(tài)變化曲線的轉(zhuǎn)折點后移,從而使其多阻態(tài)非線性得到了優(yōu)化;第二種優(yōu)化方案則使刺激信號對模型的狀態(tài)變化進行實時監(jiān)控與反饋,以數(shù)量級的變化為刺激信號變化的節(jié)點,從而使系統(tǒng)能夠?qū)︔斎胄盘枌崿F(xiàn)按需索求,能夠更大程度地實現(xiàn)多阻態(tài)非線性的優(yōu)化。兩種優(yōu)化方案相比,后者的信號實現(xiàn)難度較大,但對于多阻態(tài)非線性的優(yōu)化有更大的意義。
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