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"大数据"和"人工智能"时代爆炸式的数据量使得信息的采集、计算、存储和传输面临着严峻的挑战.忆阻器作为下一代非易失性存储器的有力候选者迎来了巨大的历史机遇.基于HfOx材料的忆阻器具有高速、高密度、与CMOS技术兼容等优势,有望替代传统CPU,内存和闪存的底层器件,实现逻辑运算和高密度存储等功能.定制化的二值和多值忆阻模式可以被分别地应用于逻辑运算和高密度存储,以提高专用芯片的性能.氧调控下的HfOx工艺可以兼容于功能分区的计算存储融合阵列,表现出突破冯诺伊曼瓶颈的潜力.此外,forming-free,低压操作也都是当前忆阻器具有代表性的研究热点. 本文基于亚化学计量比下的氧空位导电机理,采用直流反应溅射的方法,开展了HfOx忆阻器forming-free、低压操作、定制模式等研究,研究结果概述如下: (1)HfOx薄膜特性及其忆阻器选型.采用反应溅射法制得了不同成分,晶态和形貌的HfOx薄膜;采用光刻,溅射和剥离工艺制备了crossbar忆阻阵列.研究了不同电极材料下的操作电压,操作电流,阻态窗口,疲劳特性,高速响应,阻态一致性和高温老化等阻变特性. (2)Pt/HfOx/Ti低压特性和导电机理.实验发现了低O/Hf比器件具有forming-free和低SET电压的特性,高O/Hf比器件有着较大的窗口和更低的操作电流.负的电阻温度系数和ln I/V-1/T的线性拟合证实了低阻态下的氧空位欧姆导电机理;非对称的迟滞回线和ln I-V的线性拟合证实了高阻态下的肖特基发射机理. (3)氧调控下Pt/HfOx/Ti的二值和多值阻变特性.二值模式基于高O/Hf比器件更快的速度和更低的操作电流特性,实现了103次连续高速(10ns)脉冲响应、10倍的开关窗口和极佳的保持特性(85℃,＞104s).多值模式基于低O/Hf比器件更稳定的存储状态和更低的操作电压特性,完成了限制电流下稳定的多值存储和连续递增脉宽下12级的高速脉冲响应(ns级).