用于电子突触的"模拟"型忆阻器制备方法及特性机理研究

The resistive states of "analog" memristor can be changed gradually, which make it implemented in simulating synaptic function of neuron. Currently, the investigation of "analog" memristor is still in its infancy due to the challenge to completely solve the fluctuations in memristive synaptic responses at this stage. In view of this, 0-3 dimensional structure films would be fabricated by cosputtering technique including magnetron sputtering and pulse laser deposition for achieving the property of analog in memristors; Nanocrystals would be introduced for narrowing the fluctuation scope of the conduction for response, improving characteristics of memristors and decreasing the power dissipation. Two kinds of structure: nanocrystal Si/Ag+Si mixture and metal nanocrystals/oxide composite films would be studied and the memritor with metal nanocrystals/oxide film fabricated by cosputtering technique has not been reported in literature. We study the the effects of deposition parameters to the nanocrystals (the shape of particle, size, density, ratio gradient etc.) and the impact of microstructure of nanocrystals materials on the improvement of performance in memristor, verify the STDP learning behaviors, clarify the physics mechanism and establish the theoretical mode of the structures of nanocrystals and the characteristics of device. The accomplishment of this project would be benefit to design of structure and the controllable fabrication for nanocrystal composite films, which provides the direct experimental support and theoretical basis. Therefore, this project possesses significant research value and application prospects.

"模拟"型忆阻器的阻态变化是一种渐变的过程，这使其具备了神经突触的功能。目前，"模拟"型忆阻器用于电子突触还处于起步阶段，电压或电流信号响应的电导存在波动是主要问题。鉴于此，本项目拟采用磁控和脉冲激光共溅射技术制备0-3维结构忆阻薄膜以实现忆阻器的摸拟特性；拟引入纳米晶来缩小响应电导波动范围、改善忆阻性能以及降低能耗。研究两种结构的纳米晶Si/Ag+Si和金属纳米晶/氧化物结构复合薄膜。其中，共溅射制备金属纳米晶/氧化物薄膜忆阻器文献上尚无报道。系统研究沉积工艺对纳米晶的结构（尺寸、密度和比例梯度等）的影响和纳米晶的微结构对改善忆阻器性能的控制作用，验证其STDP学习行为，并澄清纳米晶忆阻器的物理机制，建立纳米晶材料结构与器件特性之间的物理模型。本项目将有助于我们实现纳米晶复合薄膜结构设计和可控制备，为"摸拟"忆阻器应用于神经系统提供直接的实验支撑和理论依据，具有重要的研究价值和应用前景。

采用共溅射方法让Ag纳米晶掺入到氧化物当中，以提高忆阻器的性能，降低其对电压或电流信号响应的波动性，借助微结构信息进一步探讨纳米晶Ag在忆阻器电阻变化过程中发挥的作用及其物理机制。研究发现掺Ag纳米晶的样品能够表现出电导渐变的物理特性，未掺杂的样品电流表现的是跳变现象，对电压脉冲对电导的调控进行了详细的研究。器件能够模拟神经突触的学习和记忆功能，例如STDP，PPF等功能。另外器件表现出低功耗的特性。研究了TiN/SiO2/p-Si 结构的隧穿结。在电激活后该器件能够实现10^5数量级的抗疲劳测试，该器件的高低电阻比能达到10^2数量级，并且器件在100次的开关测试中开启电压和关闭电压变化范围小极小。并且我们在测试中发现与神经突触相关的兴奋和抑制性突触后电流现象，因此说明该器件能够应用在神经突触仿生等方面。研究了不同O2/Ar比例的混合气体对BST薄膜的晶界的影响，分析了氧空位的发挥的作用）研究ZHO/BST复合薄膜的双载流子电荷俘获存储特性，对其机理详细的分析。构建的Ag/nc-Si:H/Pt结构呈现出稳定的三组非易失电阻状态，给出电导机制和三阻态存储机制。我们制备了一种基于宽带隙Ga2O3薄膜，在可见光范围内具有91.7%的高平均透射率的全透明双极型阻变存储器（RRAM）对其导电机制和阻变机制进行了分析。我们制备了Ag/In-Ga-Zn-O/Pt阻变存储器单元在低电阻（LRS）表现出自整流性能。并对肖特基势垒，电子注入过程和阻变开关机制进行了讨论。在高透明双极型阻变存储器研究方面取得进展。以半导体非晶In-Ga-Zn-O薄膜为电极，采用磁控溅射设备制备Zr0.5Hf0.5O2介质为阻变薄膜，制备了87.1%的高透过率阻变存储器件。. 在该项目的实施过程中，为阻变存储器的应用以及忆阻器神经元芯片打下了理论和实验基础，共发表了14篇SCI论文，2篇EI论文，共获得国家发明专利4项，培养了6名研究生。