具有类突触长期可塑性的忆阻器及其制备方法

摘要

本发明涉及一种具有类突触长期可塑性的忆阻器，其包括自下而上依次层叠的基底、第一阻变层、第二阻变层及顶电极层，基底包括自下而上层叠设置的绝缘层和底电极层，第一阻变层由氧化铝制备，第二阻变层由氧化镓制备。相比于单层纯金属氧化层的忆阻器，本发明得到的忆阻器的阻变效果更好，功耗小、工作电压小，其绝对值小于1V，器件的耐受性和稳定性也有所提高；采用纯溶液法制备，操作简单方便，成本低，设备和和原料投资较少可用于大面积制备，实现大规模工业应用；使用单质金属或单质金属化合物材料作为顶电极层，替代了传统的氧化物材料，降低了成本和优化了制备工艺；该忆阻器实现了类突触器件的长期可塑性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有类突触长期可塑性的忆阻器及其制备方法，属于微电子技术领域。

背景技术

作为最具有潜力的非易失性存储器之一的忆阻器(RRAM)，因其优异的性能已经收到越来越广泛的关注于研究。通过施加电压，从而使得存储器在高低组态之间来回变化，实现数据的擦写和电流通道的阻断的操作，其低压、高速、低功耗的特点使得忆阻器极具研究价值。忆阻器的这种特性与生物神经系统中连接不同神经元的突触的工作机制非常相似，使其非常适合作为突触器件用于构造神经形态仿脑芯片，进而用于人工神经网络，其可变化的多重阻态可以被用来模拟人脑中神经突触的功能，并开发出具有类人脑突触的具有长期可塑性的电子器件。但是目前基于忆阻器的仿生突触器件存在的工作电压高、功耗大、高低阻的比值小的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工作电压小、功耗小且阻变效果好的具有类突触长期可塑性的忆阻器。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有类突触长期可塑性的忆阻器，所述具有类突触长期可塑性的忆阻器包括自下而上依次层叠的基底、第一阻变层、第二阻变层及顶电极层，所述基底包括自下而上层叠设置的绝缘层和底电极层，所述第一阻变层由氧化铝制备，所述第二阻变层由氧化镓制备。

进一步地，所述顶电极层包括若干个圆柱形结构的顶电极，所述顶电极由金属银、金属铜或金制备，所述顶电极的厚度为20-60nm，直径为0.1-0.5mm。

进一步地，所述顶电极层在远离所述第二阻变层的表面设置有保护层，所述保护层由金属铝或金属钨制备。

进一步地，所述底电极层由金属铂或氧化铟锡制备，所述底电极的厚度为50-150nm。

进一步地，所述绝缘层为单层透明玻璃或三层结构，所述三层结构为自上至下依次叠层设置的钛层、二氧化硅层和硅层。

本发明还提供一种具有类突触长期可塑性的忆阻器的制备方法，所述制备方法用以制备所述的具有类突触长期可塑性的忆阻器，所述制备方法包括：

S1、提供基底，对所述基底进行清洗和亲水处理；

S2、利用水溶液法，在所述基底上制备第一阻变层；

S3、利用水溶液法，在所述第一阻变层上制备第二阻变层；

S4、在所述第二阻变层上制备顶电极层，得到具有类突触长期可塑性的忆阻器。

进一步地，所述第一阻变层的具体制备步骤为：在20℃-30℃环境下制备氧化铝前驱体溶液，在室温环境下静置5-10min后，将所述氧化铝前驱体溶液滴于所述基底上；以2000-5000rpm的速度在空气中旋涂10-60s；在250-350℃的温度下退火。

进一步地，所述第二阻变层的具体制备步骤为：在20℃-30℃环境下制备氧化镓前驱体溶液，在室温环境下静置5-10min后，将所述氧化镓前驱体溶液滴于所述第一阻变层上；以2000-5000rpm的速度在空气中旋涂10-60s；在250-350℃的温度下退火。

进一步地，所述顶电极层在远离所述第二阻变层的表面设置有保护层，所述顶电极层和保护层采用蒸发镀膜法制备。

进一步地，在所述第一阻变层上制备第二阻变层之前，所述制备方法还包括对所述第一阻变层进行亲水处理。

本发明的有益效果在于：

1)相比于单层纯金属氧化层的忆阻器，本发明得到的忆阻器的阻变效果更好，功耗小、工作电压小，其绝对值小于1V，器件的耐受性和稳定性也有所提高；

2)采用纯溶液法制备，操作简单方便，成本低，设备和和原料投资较少可用于大面积制备，实现大规模工业应用；

3)使用单质金属或单质金属化合物材料作为顶电极层，替代了传统的氧化物材料，降低了成本和优化了制备工艺；

4)该忆阻器实现了类突触器件的长期可塑性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明一实施例所示所示的具有类突触长期可塑性的忆阻器的结构示意图；

图2为图1中所示的具有类突触长期可塑性的忆阻器在200～300℃退火范围内的阻变特性变化图；

图3为图1中所示的具有类突触长期可塑性的忆阻器类突触长期可塑性测试图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参见图1，本发明一实施例所示的具有类突触长期可塑性的忆阻器，其包括自下而上依次层叠的基底、第一阻变层201、第二阻变层200及顶电极层101，基底包括自下而上层叠设置的绝缘层301和底电极层300，第一阻变层201由氧化铝制备，第二阻变层200由氧化镓制备，但是第一阻变层201和第二阻变层200还可以由其他金属氧化物制备，在此不做具体限定。

其中，顶电极层101包括若干个圆柱形结构的顶电极，若干个顶电极可等间距排布，顶电极由金属银、金属铜或金制备，但不仅限于此，顶电极还可以由其他导电材料制备，在此不一一列举，顶电极的厚度为20-60nm，直径为0.1-0.5mm。本实施例中，顶电极由金属银制备得到，厚度为40nm，直径为0.1mm。使用单质金属或单质金属化合物材料作为顶电极层101，替代了传统的氧化物材料，降低了成本和优化了制备工艺。

顶电极层101在远离第二阻变层200的表面设置有保护层100，以提高忆阻器的使用寿命。该保护层100由金属铝或金属钨制备，但不仅限于此，保护层100还可以由其他材料制备。本实施例中，保护层100由金属铝制备得到。

底电极层300由金属铂或氧化铟锡等导电材料制备，底电极的厚度为50-150nm。本实施例中，底电极层300由氧化铟锡制备得到，厚度为100nm。

绝缘层301为单层透明玻璃或三层结构，其中，三层结构为自上至下依次叠层设置的钛层、二氧化硅层和硅层。关于绝缘层301的材料在此不做具体限定，还可以其他材料，在此不一一列举，可根据实际需要选择合适的绝缘层301。本实施例中，绝缘层301和底电极层300一体形成基底，该基底提前制备好，可直接使用，但也可由蒸发镀膜法等方法在绝缘层301制备底电极层300而得到。

本发明还一种具有类突触长期可塑性的忆阻器的制备方法，该制备方法用以制备上述的具有类突触长期可塑性的忆阻器，制备方法包括：

S1、提供基底，对基底进行清洗和亲水处理；

S2、利用水溶液法，在基底上制备第一阻变层；

S3、利用水溶液法，在第一阻变层上制备第二阻变层；

S4、在第二阻变层上制备顶电极层，得到具有类突触长期可塑性的忆阻器。

在第一阻变层上制备第二阻变层之前，制备方法还包括对第一阻变层进行亲水处理，以此增强第一阻变层和第二阻变层的结合强度。

其中，第一阻变层的具体制备步骤为：在20℃-30℃环境下制备氧化铝前驱体溶液，在室温环境下静置5-10min后，将氧化铝前驱体溶液滴于基底上；以2000-5000rpm的速度在空气中旋涂10-60s；在250-350℃的温度下退火。

第二阻变层的具体制备步骤为：在20℃-30℃环境下制备氧化镓前驱体溶液，在室温环境下静置5-10min后，将氧化镓前驱体溶液滴于第一阻变层上；以2000-5000rpm的速度在空气中旋涂10-60s；在250-350℃的温度下退火。

顶电极层在远离第二阻变层的表面设置的保护层以及顶电极层都采用蒸发镀膜法制备。

该制备方法为溶液法，具有环保，低温，设备和和原料投资较少，可大面积制备的特点，实现大规模工业应用，制备中较低的温度使得制备简单高效，制备成本较低。

关于具有类突触长期可塑性的忆阻器制备方法，下面进行详细说明。

步骤一、清洗并亲水处理基底

将基底完全浸入盛放无水乙醇的烧杯中，将烧杯置于去离子水环境中进行超声清洗25min；再用去离子水冲洗基底去除残留的乙醇杂质；然后将基底完全浸入盛放丙酮的烧杯中，将烧杯置于去离子水环境中再次超声清洗25min；然后将基底完全浸入盛放去离子水的烧杯中，将烧杯置于去离子水环境中超声清洗25min；最后用去离子水冲洗基底并用氮气吹干，从而完成了对基底的清洗。

将上述经超声清洗并干燥处理的基底放入表面等离子清洗机的真空腔内，进行表面等离子清洗以增强底电极层的亲水性，表面等离子清洗过程时间持续45min。需要说明的是该亲水处理是改变底电极层表面的亲水性。

步骤二、制备第一阻变层

在25℃环境下制备氧化铝前驱体溶液，具体的：取9.3536g、纯度为99.99％的硝酸铝粉末置于烧杯中，并向烧杯中加入10ml去离子水，配置成2.5M的氧化铝前驱体溶液，匀速搅拌至溶液澄清得到氧化铝前驱体溶液；在室温环境下静置10min后，在完成表面等离子清洗后30min内，将配置好的氧化铝前驱体溶液通过0.22μm孔径、PES材质滤嘴的注射器滴加在底电极层上，以4000rpm的速度在空气中旋涂40s；旋涂完毕后，置于250℃的加热板上退火1h，氧化铝前驱体溶液在底电极层上凝固成膜，制得第一阻变层。

步骤三、亲水处理第一阻变层

在具有第一阻变层的基底放入表面等离子清洗机的真空腔内，进行表面等离子清洗，表面等离子清洗过程时间持续45min，使得第一阻变层亲水。

步骤四、制备第二阻变层

在25℃环境下制备氧化镓前驱体溶液，具体的：取6.8742g、纯度为99.99％的硝酸镓粉末置于烧杯中，并向烧杯中加入10ml去离子水，配置成2.5M的氧化镓前驱体溶液，匀速搅拌至溶液澄清得到氧化镓前驱体溶液；在室温环境下静置10min后，在完成表面等离子清洗后30min内，将配置好的氧化镓前驱体溶液通过0.22μm孔径、PES材质滤嘴的注射器滴加在第一阻变层上，以4000rpm的速度在空气中旋涂40s；旋涂完毕后，置于250℃的加热板上退火0.5h，氧化镓前驱体溶液在第一阻变层上凝固成膜，制得第二阻变层。

步骤五、制备顶电极层

将颗粒状金属材料Ag放置于热蒸发镀膜机的坩埚中，将孔径为0.1mm的掩膜板覆盖于第二阻变层表面上，掩膜板向下放入镀膜机腔体中的吸板上，关闭腔体进行热蒸发镀膜操作，将金属材料Ag镀制在第二阻变层上，形成顶电极层。

步骤六、制备保护层

将颗粒状金属材料Al放置于热蒸发镀膜机的坩埚中，将孔径为0.1mm的掩膜板覆盖于顶电极层上，掩膜板向下放入镀膜机腔体中的吸板上，关闭腔体进行热蒸发镀膜操作，在顶电极层表面上镀制形成金属Al保护层，得到忆阻器器件。

请参见图2，对本实施例制备得到的忆阻器进行阻变效应测试，以横坐标0点为分界线，正轴为SET(置位)过程，负轴为RESET(复位)过程，其电压偏置绝对值都在1V以下，器件工作电压低，能耗小，且阻变效应均保持在一定范围内，RESET过程中出现一定概率的渐变现象，器件的耐受性和稳定性也有所提高。图2中高低阻的比值(大于20000)明显比现有技术的忆阻器的比值大，存储数据容量增加。

请参见图3，对本实施例制备的忆阻器进行类突触长期可塑性测试，横坐标为脉冲激励次数，纵坐标为器件的电导，其脉冲幅值都在1V以下，前100次脉冲为连续的0.5V/10ms正向脉冲，后100次脉冲为连续的0.5V/10ms负向脉冲，测试结果呈现了器件的多级电导，即多级阻态，证明了该器件具有类突触器件的长期可塑性。且器件的突触性能中数据的线性程度好，意味着可以更加贴合ANN(artificial neuromorphic netwok)算法。

综上，1)相比于单层纯金属氧化层的忆阻器，本发明得到的忆阻器的阻变效果更好，功耗小、工作电压小，其绝对值小于1V，器件的耐受性和稳定性也有所提高；

2)采用纯溶液法制备，操作简单方便，成本低，设备和和原料投资较少可用于大面积制备，实现大规模工业应用；

3)使用单质金属或单质金属化合物材料作为顶电极层，替代了传统的氧化物材料，降低了成本和优化了制备工艺；

4)该忆阻器实现了类突触器件的长期可塑性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。