[发明专利]一种超晶格忆阻器功能层材料、忆阻器单元及其制备方法

说明书

本发明提供了一种超晶格忆阻器功能层材料、包含该超晶格忆阻器功能层的忆阻器单元及其制备方法，其中，该超晶格忆阻器功能层材料是至少由第一金属氧化物层和第二金属氧化物层交替堆垛在第一平面方向形成层叠结构。本发明利用两种二元金属氧化物氧离子的迁移势垒不同，使得忆阻器在一定条件下，阻态可进行稳定的缓变，实现了对氧空位导电细丝通断的调制效果，提高了忆阻器的稳定性和一致性。此外，忆阻器电导可以随外加电场连续变化，实现了电导连续可调的突触特性，提高了类脑神经形态计算突触线性度。对于存储融合计算和神经形态计算的硬件实现具有重要意义。

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，更具体地，涉及一种超晶格忆阻器及其制备方法。

背景技术

忆阻器被认为是电阻、电容、电感之外的第四种无源基本电路元件。忆阻器的阻值会随着流经它的电荷量而发生改变，并且能够在断开电流时保持它的阻值状态，从而实现非易失的信息存储功能。经研究忆阻器所具有的非易失信息存储功能，使得其可以应用于高密度信息存储或者是非易失性状态逻辑运算。此外，部分忆阻器具有电导连续可调的特性，使得其也可以作为突触器件应用于类脑神经形态计算。忆阻器在单个器件中实现了存储与计算的融合，使得其成为构建非冯·诺依曼计算体系架构的基础器件之一。

目前基于导电细丝理论的忆阻器具有结构简单、功耗低、读写速度快等优势，使其成为最具潜力的存储技术之一。然而，忆阻器开始研究的时间并不长，仍有许多问题亟待解决。一方面，忆阻器中离子在介质材料中的迁移会形成导电细丝，导电细丝的连通和断裂使器件的电导值发生变化。由于忆阻器的导电细丝的通断具有随机性，因此当下大部分忆阻器都存在操作电压、高低阻态分布离散的问题，这使得器件间(device to device)和电学循环(cycle to cycle)的一致性都存在问题。这严重限制了忆阻器存储芯片的存储容量，也对忆阻器的大规模集成和电路设计带来了很大的挑战。另一方面，在现代类脑神经形态计算领域，忆阻器作为突触元件导电细丝在介质层形成的瞬间会导致器件电导的突然增高，这并不符合类脑模拟中希望忆阻器电导可以随外加电场连续变化的要求，突触特性线性度普遍较差，这也严重制约了人工神经网络芯片外围电路的研究，不仅增加了设计成本，而且使电路面积增大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超晶格忆阻器单元及其制备方法，其中忆阻器单元中关键的功能层为两种不同的金属氧化物层交替堆垛且彼此之间成键结合形成的超晶格结构。通过利用两种金属氧化物不同的氧离子迁移势垒和电子亲合能，从而实现了对导电细丝通断的调制效果，提高了忆阻器的稳定性和一致性。此外，提高了电导连续可调的突触特性，就进一步增强了忆阻器突触线性度，使其极具潜力成为神经形态计算系统中的基本突触单元。

因此，本发明第一方面，提供一种超晶格忆阻器功能层材料，所述材料至少由第一金属氧化物层和第二金属氧化物层在第一平面交替堆垛形成层叠结构；

其中，所述第一金属氧化物层的氧离子迁移势垒不同于所述第二金属氧化物层的氧离子迁移势垒，以使在所述第一、第二金属氧化物层之间垂直于第一平面取向形成电接触；

其中，所述电接触包括氧离子在所述第一、第二金属氧化物层间的迁移受不同的氧离子迁移势垒的限制，以使所述功能层呈现非易失性阻态。

进一步地，所述第一、第二金属氧化物层的材料包括二元金属氧化物，其中所述金属包括Hf、Al、Ti、Ta、Cu、W、Ni、Zn、Zr、Fe、Mn和Nb。

本发明第二方面，提供一种具备上述超晶格忆阻器功能层的忆阻器单元，所述超晶格忆阻器功能层位于第一电极和第二电极之间。

进一步地，所述超晶格忆阻器功能层的厚度为5～10nm。

进一步地，所述超晶格忆阻器功能层中，所述第一金属氧化物层的厚度为2～15个原子层，所述第二金属氧化物层的厚度为1～3个原子层。