【摘 要】
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阻变存储器（RRAM）因其结构简单、低功耗、高开关速度和良好的微缩性成为下一代最有前景的非易失性存储器,其中氧化铪阻变存储器具有低功耗、数据保持时间长、读写速度快等优点受到了学术界和工业界的青睐。另外,随着信息数据的急速膨胀,传统计算机架构面临诸多挑战,人工神经网络将是未来计算机发展方向,其中突触仿生被认为是实现神经网络的第一步。因此,本文研究了铜纳米颗粒对氧化铪基存储器阻变性能和阻变机理的影响,
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阻变存储器（RRAM）因其结构简单、低功耗、高开关速度和良好的微缩性成为下一代最有前景的非易失性存储器,其中氧化铪阻变存储器具有低功耗、数据保持时间长、读写速度快等优点受到了学术界和工业界的青睐。另外,随着信息数据的急速膨胀,传统计算机架构面临诸多挑战,人工神经网络将是未来计算机发展方向,其中突触仿生被认为是实现神经网络的第一步。因此,本文研究了铜纳米颗粒对氧化铪基存储器阻变性能和阻变机理的影响,并将其模拟生物突触的行为。具体研究内容和结果如下:通过微电子加工工艺制备了HfOx/ZnO叠层RRAM。器件表现出双极性存储的阻变行为,器件具有自限流,功耗低等特点;进一步发现,器件高阻态的导电由肖特基发射机制主导,在低阻态的导电由普尔-法兰克发射机制主导;器件中氧空位产生的随机性导致了器件操作电压和高低阻态的电阻值分布不均一;此外,该器件具有2-bit存储功能,但中间阻态的保持特性较差,容易造成存储失效。为优化器件性能,我们在氧化铪中嵌入铜纳米颗粒。由于铜纳米颗粒的局部电场增强效应,有效提高了器件的均一性,器件的高低阻态电阻值更加稳定,操作电压更小且离散性更小;进一步研究发现,铜纳米颗粒使器件低阻态导电由普尔-法兰克机制主导变成了由氧空位辅助的导电细丝主导的导电,低阻态阻值显著减小,进而增大了器件高低阻值比;此外,在纳米颗粒器件上实现了可重复且具有良好耐受性的2-bit存储。此外,有望利用器件电阻值渐变的特性模拟生物突触。为此,我们在单个器件上模拟了多种突触学习行为。通过调节脉冲间隔,模拟了突触短时程可塑性（STP）中的双脉冲易化（PPF）和双脉冲抑制（PPD）行为;分别采用增加脉冲数目、增大幅值、增大脉宽和缩小脉冲间隔时间的方式实现了突触短时程记忆（STM）到长时程记忆（LTM）的转变;通过调节脉冲频率实现了脉冲频率依赖可塑性（SRTP）,其中2 Hz为器件的阈值频率;通过调节器件两端脉冲的时序实现了脉冲时间依赖可塑性（STDP）,突触权重调节范围与生物突触接近;调节脉冲宽度实现了长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）,并实现了功耗极低的增强和抑制循环,有望应用于大规模的神经网络中。
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