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基于波导结构的光读取忆阻器研究

2020-12-02阅读(445)

基于波导结构的光读取忆阻器研究

论文摘要

忆阻器由于其独特的性能在非易失存储器和人工神经网络中有着巨大的应用潜力,而硅基忆阻器因与CMOS工艺技术十分兼容,最有可能被商业化应用。基于硅波导的光读取忆阻器在兼顾传统电读取忆阻器优点的同时,具备光调制器件的优势。本文以实现硅基忆阻器的光读取功能为目标,从忆阻薄膜材料的光学和电学性能入手,研究了不同O含量的非晶氧化硅（a-SiOx）薄膜的微观结构和光学性能;研究了不同Ag含量的掺银非晶硅（a-Si:Ag）薄膜和掺银非晶氧化硅（a-SiOx:Ag）薄膜的微观结构、光学和电学性能。制备出了Ag/a-Si/p++-Si和Ag/a-SiOx/p++-Si两种结构的忆阻器,成功实现了器件的电学开关功能;制备出了Ag/a-Si:Ag/a-Si/p++-Si和Ag/a-SiOx:Ag/a-SiOx/p++-Si两种结构的忆阻器,成功实现了神经突触器件的部分功能。利用仿真软件对基于硅波导的光读取忆阻器进行了结构优化设计,并从仿真的角度实现了忆阻器的光读取功能;基于仿真结果,优化设计出了硅波导芯片的流片加工方案,并通过实测初步验证了硅波导的通光情况。本文的主要研究成果如下:（1）利用激光拉曼光谱、傅里叶变化红外光谱、光纤光谱分析、椭圆光谱分析和共面电极法等手段,系统研究了不同O含量对a-SiOx薄膜微观结构光学性能的影响,以及不同Ag含量对a-Si:Ag薄膜和a-SiOx:Ag薄膜微观结构、光学和电学性能的影响;（2）基于a-Si和a-SiOx两种薄膜,成功制备了基于Ag/a-Si/p++-Si和Ag/a-SiOx/p++-Si两种结构的忆阻开关器件,通过研究发现,当器件的介质层薄膜厚度为100nm时较利于忆阻器“开关”功能的实现,当器件尺寸较小时忆阻器的稳定性较好;（3）制备了基于Ag/a-Si:Ag/a-Si/p++-Si和Ag/a-SiOx:Ag/a-SiOx/p++-Si两种结构的忆阻神经突触器件,实现了神经突触的非线性传输行为,模拟了神经突触的双脉冲易化效应,验证了神经突触器件的长期可塑性和短期可塑性,模拟了神经突触的“学习-遗忘-再学习”行为;（4）对硅波导结构进行优化设计,对波导耦合忆阻器的结构参数进行优化,并通过仿真软件实现基于波导的光读取忆阻器的“光开关”和“光突触”功能;设计了硅波导的加工方案并通过光纤与波导耦合验证了波导通光情况。

论文目录

  • 摘要
  • abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 引言
  •   1.2 忆阻器及其应用概况
  •     1.2.1 忆阻器的发现与原理
  •     1.2.2 忆阻材料的分类
  •     1.2.3 忆阻器的研究与应用
  •   1.3 硅基忆阻器及其研究现况
  •     1.3.1 硅基忆阻薄膜材料
  •     1.3.2 硅基忆阻器结构及其特点
  •     1.3.3 硅基忆阻器电学开关应用
  •     1.3.4 硅基忆阻器神经突触应用
  •   1.4 论文的主要工作
  •     1.4.1 选题意义
  •     1.4.2 研究内容
  • 第二章 硅基忆阻薄膜及器件制备与性能研究方法
  •   2.1 忆阻薄膜制备
  •     2.1.1 磁控溅射装置简介
  •     2.1.2 薄膜制备工艺
  •   2.2 忆阻薄膜光学与电学性能研究方法
  •     2.2.1 透射反射与吸收光谱测试
  •     2.2.2 椭圆偏振光谱分析
  •     2.2.3 红外与激光拉曼光谱测试
  •     2.2.4 薄膜电阻率测试
  •   2.3 忆阻器的制备与性能研究方法
  •     2.3.1 器件结构设计
  •     2.3.2 器件制备
  •     2.3.3 器件电学性能测试
  •   2.4 本章小结
  • 第三章 硅基忆阻薄膜材料光学与电学性能研究
  •   3.1 引言
  •   3.2 氧掺杂对a-Si薄膜光学性能的影响
  •     3.2.1 Raman结果及分析
  •     3.2.2 红外光谱结果及分析
  •     3.2.3 薄膜光谱性能测试结果及分析
  •     3.2.4 椭偏结果及分析
  •   3.3 Ag掺杂对硅基薄膜光学和电学性能的影响
  •     3.3.1 薄膜Raman结果及分析
  •     3.3.2 薄膜光谱性能测试结果及分析
  •     3.3.3 椭偏结果及分析
  •     3.3.4 薄膜电阻率测试结果及分析
  •   3.4 本章小结
  • 第四章 硅基忆阻器电学开关与神经突触性能研究
  •   4.1 引言
  •   4.2 忆阻开关器件
  •     4.2.1 工作原理
  •     4.2.2 器件制备工艺和测试规范
  •     4.2.3 忆阻开关性能研究
  •   4.3 忆阻神经突触器件
  •     4.3.1 工作原理
  •     4.3.2 器件制备工艺
  •     4.3.3 忆阻神经突触性能
  •   4.4 本章小结
  • 第五章 基于波导的硅基光读取忆阻器件初步研究
  •   5.1 引言
  •   5.2 器件工作原理
  •   5.3 器件光读取功能仿真研究
  •     5.3.1 波导结构设计与优化
  •     5.3.2 波导耦合忆阻器件结构优化设计
  •     5.3.3 光读取功能仿真
  •   5.4 光波导耦合与光读取器件加工
  •     5.4.1 硅波导设计与流片加工
  •     5.4.2 突触器件结构设计与加工
  •     5.4.3 光纤与波导耦合方案设计
  •   5.5 波导耦合光读取突触器件研究阶段进展
  •     5.5.1 测试仪器与系统构架
  •     5.5.2 硅波导芯片通光验证
  •   5.6 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  •   6.1 工作总结
  •   6.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间研究成果

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 陈奕丞

    导师: 李伟

    关键词: 硅基忆阻薄膜,忆阻开关,忆阻神经突触,硅波导,光读出

    来源: 电子科技大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,无线电电子学,无线电电子学

    单位: 电子科技大学

    分类号: TN60;TN252

    总页数: 92

    文件大小: 5974K

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