【摘 要】
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人脑由许多通过突触连接的神经元组成,可以同时执行感知、学习和记忆功能。因此,突触是生物大脑的主要单元,类似于生物突触的人工突触的合成对于神经形态计算系统的发展非常重要。神经形态计算系统是大规模并行系统,目前已经得到了深入研究,有望取代传统的数字计算系统。而忆阻器具有高速、低功耗、易与CMOS兼容等特点,在突触模拟、实现存算一体化等领域有广泛的应用前景。本论文围绕三明治结构器件Ta/HfOx/TiN
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人脑由许多通过突触连接的神经元组成,可以同时执行感知、学习和记忆功能。因此,突触是生物大脑的主要单元,类似于生物突触的人工突触的合成对于神经形态计算系统的发展非常重要。神经形态计算系统是大规模并行系统,目前已经得到了深入研究,有望取代传统的数字计算系统。而忆阻器具有高速、低功耗、易与CMOS兼容等特点,在突触模拟、实现存算一体化等领域有广泛的应用前景。本论文围绕三明治结构器件Ta/HfOx/TiN展开研究工作,着重研究了金属钛插层、各个功能层制备工艺对使器件性能的影响,并对电导调制机理进行了探索,主要内容如下:一、使用射频磁控溅射工艺对HfO2薄膜生长工艺进行了优化,通过改变氧分压、溅射功率、溅射薄膜厚度等参数,逐步控制变量研究得到最符合忆阻器特性的直流特性。采用原子力显微镜、椭圆偏振仪、四探针测试系统等手段,对薄膜表面形貌、生长厚度等特性进行表征分析;同时利用半导体参数分析仪对器件电学和突触特性进行分析研究。结果表明在脉冲测试中能模拟完成突触兴奋抑制过程,正向增强过程非线性明显,但是反向抑制过程线性度可达98.4%;用ITO做电极的器件耐受性可达6000次。二、在单层插层使器件初步展现模拟特性的基础上,进一步设计了两层插层新型器件结构Ta/Ti/HfOx/Ti/HfOx/TiN,使器件获得更理想的氧空位浓度分布、获得更优化的器件模拟特性。1、针对不同上下段厚度比的氧化铪器件,对其性能进行比较分析,获得了更佳的电学特性:器件能模拟良好的兴奋抑制过程;电导调制线性度显著提升,正向达到98.4%,负向达到98.1%;同时器件对称性与调制幅度也得到了有效提升。2、结合器件电学性能,采用高分辨透射电镜及X射线光电子能谱分析等表征手段探索研究了多层结构器件的工作机理。完成了器件的双对数拟合以及器件细丝生长模型,对器件导通过程进行了探索,证明了通过改变器件内部氧空位分布提升器件模拟特性的可行性。
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