Pt/TiMxOy/Pt/Si界面调控及忆阻行为调制机理

It is crucial to build the new generation of cognitive system that an electronic device similar to the feature of neuron synapse is successfully obtained. A novel device named memristor has been found and it is the most possible to achieve this function for the next memory device. In this project,Pt/TiMxOy/GQD/Pt/AlN/Si stacks are fabricated and interfacial control as well as the modulated mechanism of its memristive behavior will be investigated combined with plasma enhanced atomic layer deposition and electron beam lithography based on our current research results. The oxygen vacancy defects in the titanium oxides are induced using the remote oxygen scavenging technique by AlN interlayer with high thermal conductivity between Pt electrode and silicon substrate. Meanwhile, the effect of interfacial heating on the memristive behavior can be removed. The graphene quantum dot(GQD) with the remarkable quantum confinement effect and chemcial stablity will be embedded between TiMxOy and Pt electrode. The concentration and distribution of oxygen vacancy defects in the titanium oxides are further modulated including the interface barrier height. It will be benifical to accelerate the migration of oxygen vacancy defects and to form/break the conductance filement. The influence of the quantum confinement effect on the nonlinear dynamical behavior of oxygen vacancy is deeply studied by molecular dynamics simulation method and technique of positron annihilation. It is helpful to optimize the electroforming step and modulate the memristive dynamical behavior of the oxide memristor. Furthermore, the controllability of the memristive behavior will be improved. It is significant to develop the intelligent device similar to human brain and promote the progress of information technology.

成功获得类似于神经元突触功能的电子器件是构建新一代认知系统的基础，而忆阻器是最有可能实现该功能的新型记忆器件。本项目拟在现有工作基础上，采用等离子体增强原子层沉积技术与电子束刻蚀工艺相结合，制备Pt/TiMxOy/石墨烯量子点/Pt/AlN/Si堆叠结构，开展钛氧化物忆阻器界面调控及忆阻行为调制机理研究。通过在Pt/Si界面引入高热导率AlN，利用其远程氧吸除能力在钛氧化物中诱导氧空位缺陷，并消除界面热效应对忆阻行为的影响。在氧化物/Pt界面嵌入具有化学稳定性的石墨烯量子点，利用其显著量子限域效应进一步调制氧化物中氧空位浓度、分布及界面势垒高度，促进氧空位迁移及导电通道形成与阻断。结合分子动力学模拟与正电子湮灭等测试，探讨量子限域效应对氧空位非线性动力学行为的影响机理，优化电形成过程，调制氧化物忆阻器动力学行为，提高其可控性。该研究对于开发类人脑智能器件，推动信息技术发展具有重要意义。

金属氧化物忆阻器在类脑智能器件、神经形态计算以及新型人工智能领域有广泛的应用前景，已受到普遍地关注。其中氧化物忆阻器的热稳定性、界面产物抑制、电导机制、忆阻特性的可控性、重复性等电学特性调控，国内外对这类问题的研究很重视。我们针对上述问题进行了深入研究，获得了明显进展与一系列研究成果，主要包括26篇已发表论文，其中SCI论文17篇，英文著作1部（章），国家发明专利5项，美国发明专利1项。首先，我们系统分析了纳米点调控氧化物忆阻器电导特性的研究进展，发现氧化物忆阻器由于其结构简单、记忆速度快、能耗低和非易失性存储等特性，已成为存储器件领域新的研究热点，特别是在10 nm以下尺度具有明显优势。系统综述了基于忆阻器交叉阵列的深度学习实现研究进展，由于忆阻器crossbar结构天然地具有并行计算能力，可以利用欧姆定律和基尔霍夫定律实现高维向量的加乘，这样可以实现芯片级的深度神经网络，基于忆阻器的深度神经网络是一种高速、并行、高密度、高可靠性、低功耗的运算电路，这项工作将会对整个深度神经网络领域产生重大影响，进而解决人工智能领域中的许多问题。在此基础上，详细探究了氢隧穿二维材料的特性，分析了石墨烯作为界面层对调制MIM结构中电学特性的影响，特别是石墨烯自身特性对新型存储器件性能的调控作用机制。理论模拟了基于忆阻器的深度学习系统的软硬件实现，并建立相应的架构、算法和基本计算电路的模型。理论模拟了基于忆阻器的深度学习系统的软硬件实现，并建立相应的架构、算法和基本计算电路的模型。在实验研究中，还发现了金属氧化物忆阻器的量子化电导现象，并探究了量子化电导的作用机理等。此外，还理论研究了全金属栅结构器件的电学特性，尤其是费米能级钉扎效应对其能带结构的影响规律等。上述结果为氧化物忆阻器的进一步微型化及其在量子技术中应用提供了可能。