HfOx忆阻器的量子化电导调控研究

For Memristor its rich and unique nature, it is expected to be replace silicon chips, "Post Mooer Era of the" information devices of new principles. During its atomic scale conductive paths (oxygen vacancies or metals filament) are forming or dissolving, novel quantum conductance effect was demonstrated. Because the quantum conductance effect of memristor is poor reproducibility. In this proposal, Using HfOx memristor material, theoretical calculations, material component, device design and preparation, the electric field regulation method combination, by changing the oxygen content of HfOx, selecting electrode materials, adjusting thickness of functional resistive layer and the operating parameters of the electric field, the regulation of HfOx bonded situation and semiconductor properties, research on quantum conductance effect of oxygen vacancies conductive filament and metal conductive filament, regulation of research methods in quantum effect devices and other charged particles or ions of oxygen vacancies migration. Reveals ions not bonded atoms or atomic scale vacancy formation patterns of the conductive paths,to develop HfOx memristor of controllable quantum conductance. Explore its application in high-density storage, simulation of synaptic function. The study for the next generation of high-density non-volatile memory, artificial intelligence chip and post Mooer era of chip size further scalability has important significance.

忆阻器以其丰富而独特的性质，有望成为取代硅芯片的“后摩尔时代”新原理信息器件，其原子尺度氧空位和金属丝导电通路形成和断裂过程中存在新奇的量子化电导效应。本研究针对忆阻器量子化电导效应存在阻变台阶的离散性、重复性差的关键科学问题。采用HfOx忆阻器材料，将理论计算、材料组分、器件设计及制备、电场调控方法相结合，通过改变HfOx的氧含量、遴选电极材料、调整阻变功能层厚度和电场操作参数，调控HfOx的原子键合状况和半导体特性，开展基于氧空位导电丝和金属导电丝两种通断机制的量子化电导效应研究。研究量子效应器件中氧空位或离子等带电粒子迁移的调控方法；揭示离子、未键合的原子或空位形成原子尺度导电通道的规律。以期研制出量子化电导可控的HfOx忆阻器。探索其在高密度存储、模拟神经元突触功能方面的应用。本研究对于下一代非易失性高密度存储器、人工智能芯片和后摩尔时代芯片尺寸进一步缩小都具有重要意义。

针对HfOx忆阻器量子化电导效应存在阻变台阶的离散性和重复性差的关键科学问题。将理论计算、材料组分、器件设计及制备、电场调控方法相结合，开展HfOx忆阻器量子化电导效应的系统研究，探索其在高密度存储、基于忆阻器的带宽动态可调的滤波电路应用，为推进忆阻器的商业化应用提供理论和技术支撑。依次开展了量子化电导效应理论计算研究，构建不同的HfOx材料组分、器件结构、器件尺寸、电极材料的忆阻器件单元模型，理论计算器件的量子化电导效应，为器件设计参数和调控量子化电导效应的电学参数提供理论指导；根据理论计算，设计量子化电导效应忆阻器件单元结构。采用微纳制造工艺，研究忆阻材料与电极之间界面微观结构的调控，HfOx忆阻功能层组分、电极材料的组合与优化；采用已自主搭建的忆阻器性能测试系统，研究了初始化电压、限制电流、直流扫描电压、脉冲强度、脉冲宽度、交流信号强度及频率、脉冲间隔、高速电信号下忆阻器的原子尺度导电通路和量子化导电行为，最终获得忆阻器在多种信号下的量子化电导调控方法；阐明了忆阻功能层组分、厚度、电极种类、电压/电流等参数与量子化电导效应之间的关系，进一步优化器件设计、制备和电场调控参数。最后，设计了带宽动态可调的滤波电路对研制的多阻态量子化阻变器件进行了应用验证。项目按时完成了项目任务，达到并部分超过了项目任务书所规定的项目目标和技术指标。研制出高性能的量子化电导忆阻器件，揭示出电场调控下Ag+的扩散维持纳米导电丝结构的稳定。纳米尺度导电通路的弹道式输运使器件表现出纳秒级脉冲环境下的量子化电导效应。从1G0到11G0共有11个可用量子化电导态。研制的高性能器件也可实现至少4个量子态之间的多值存储、存储窗口＞100、导电量子态之间切换速度﹤10ns，最快可到3ns。研制的忆阻器在高速开关和基于量子化电导效应的多值存储方面具有很大的潜力。