基于忆阻器三维逾渗网格功能模型的新型电子电路关键技术研究

Various aspects of research on memristor, such as fundamental theory, physical mechanism, device fabrication and technology application, have became frontier hotspots in the field of electronic information science and technology. This project is to take further research on the functional percolation network model of memristor and the memristor based electronic circuit. Currently, most research on functional percolation network model of memristor just focuses on 2D characteristics and not consider the effects of the coexisted mechanisms. In this project, through integrating each aspect of physical parameters, the 3D functional percolation network model of memristor is proved to reveal the inner complex mechanism and the changing rule of statistic characteristics. Afterwards, new memristor-based ADC is analyzed and designed by taking advantage of neural networks implemented with memristor. This ADC would exhibit many benefits, such as high precision, low power consumption, small size, etc. Meanwhile, two methods are proposed to design the novel memristor-based encryption circuit. One is to improve the storage and computing unit structure by utilizing memristor. The other one is constructing the parameters controllable chaotic/hyperchaotic encryption circuit with memristor. Furthermore, the related study results could provide a feasible solution to the design of novel encryption circuit and the high-performance ADC, which is currently disciplined by the foreign countries. And theses theory and model study results would support the emerging devices on the application and industrialization.

忆阻器凭借其独特的记忆特性，已成为电子信息科学技术领域新的、革命性的前沿研究热点之一。本课题拟围绕忆阻器三维逾渗网格功能模型建模及应用电路展开研究。目前，逾渗网格功能模型主要局限于二维平面特性的研究且未考虑混合机理的影响，本项目尝试构建一种基于多因素混合影响的三维逾渗网格功能模型，进而揭示忆阻器各方面统计特征的变化规律。基于此，对新型ADC及加解密电路进行研究。利用忆阻器在神经网络构建上的优势，设计了一种具有高精度、低功耗和小尺寸等方面优势特点的新型ADC。并且，改进和设计基于忆阻器的存储和计算单元结构以构建一种基于忆阻器的新型常规加解密电路；同时，构造一种基于忆阻器的混沌/超混沌加解密电路并研究适于忆阻器的独特加解密算法及其有效性、安全性评估标准。相关研究成果将为新型硬件加解密电路设计及解决我国在高性能ADC领域受制于人的现状提供了一条可行路径，并为器件应用及产业化提供理论和模型支撑作用

忆阻器凭借其独特的记忆特性，已成为电子信息科学技术领域新的、革命性的前沿研究热点之一，并在诸多领域产生了越来越多的重大科学技术成果。然而，目前在逾渗网格功能模型建模及基于忆阻器的电子电路方面，还存在很大的研究空间。因此，本课题围绕忆阻器三维逾渗网格功能模型建模及应用电路进行研究，进展顺利，取得的主要研究成果包括：.（1）忆阻器逾渗网格功能模型建模研究方面。研究了基于F-N隧穿机制选通器件的理想特性，分析了阈值电压波动对1S1R交叉阵列的影响机制，制备出了基于非晶硫属化物材料(Si 0.4 Te 0.6)的选通器件，并分析了退火工艺对器件性能的改善机制。分析了Ag/ZrO2/Pt、Cu/ZrO2/Pt器件负向SET的物理机理，提出了插入石墨烯层来消除负向SET的方案。提出了一种自掺杂的器件改性方法，制备出了高性能的Pt/HfO2:Cu/Cu器件。研究了各辐射要素与钛氧化物忆阻器辐射损伤的关联，分析了电铸极性对Pt/TiO2/Pt忆阻器电铸特性的影响。分别设计了不同种类的改进型逾渗网格模型来剖析电铸特性、阻抗连变化、忆阻分量与忆容分量共存的内在作用机理。提出了一种适用于兆比特级的3D垂直架构简化网络模型，能够有效地提升忆阻器3D垂直存储架构的建模仿真性能。.（2）基于忆阻器的新型电子电路关键技术研究方面。构建了忆阻器可编程等效电路，研究了忆阻器件及阵列的读写控制策略、高速测量技术、超快响应限流方案并设计实现了相应的电路。制备出了两种类型的忆阻器模拟突触器件，设计了两种类型的神经元电路，并研究了三种类型的神经形态架构。完成了基于忆阻器的新型ADC电路设计。针对忆阻器加解密需求，制备出了Cu/α-Si/Pt器件并构建了SPICE模型，设计了存算一体处理运算单元，实现了全部16种布尔逻辑运算单元和加法器等算术运算单元。基于此，设计了基于忆阻器的加解密电路，验证了利用忆阻器实现常规加解密和混沌加解密的可行性。.本项目组在Advanced Materials、Nanoscale Research Letters、IEEE Transactions on Electron Devices、物理学报等国内外核心刊物和国际会议上发表了SCI论文16篇，EI论文5篇，申请发明专利2项，较好地完成了项目的预期目标。