[发明专利]一种基于羽毛状多孔氧化物忆阻器

说明书

本发明提出一种基于羽毛状多孔氧化物忆阻器，整体结构由下至上依次包括底电极层、多孔缓冲层、氧化物层、顶电极层；底电极层为P型(100)高掺硅，电阻率0.0015Ω*m；多孔缓冲层为羽毛状多孔Si/SiO_x，羽片之间呈现规则的紧密插层排列，作为氧化物层的金属离子输运通道并为金属离子提供稳定的存储位点；氧化物层作为阻变功能层，在最初状态下氧化物层为绝缘体，当施加电压时，氧化物层中的金属离子如Li⁺、Na⁺、K⁺、Mg²⁺从氧化物层中脱出，使氧化物层由绝缘体变成半导体或导体，离子迁移并稳定的存储在多孔缓冲层内，实现器件从高阻态向低阻态的转变；当施加反向电压时，金属离子从多孔缓冲层中脱出，回嵌到氧化物层中，完成器件从低阻态向高阻态的转变。

技术领域

本发明涉及一种基于羽毛状多孔氧化物忆阻器，该忆阻器表现出基本的忆阻特性和模拟神经突触的多态累积效应，属于神经形态计算领域。

背景技术

随着大数据时代的发展，传统的计算架构面临着各种挑战，包括散热问题、存储墙以及摩尔定律趋近极限尺寸，人们迫切需要一种能突破传统计算架构的硬件设备来满足高性能存储与计算的需求。新型的非线性元件——忆阻器，其阻值可随流经电荷而发生变化，最初，在1971年提出忆阻器的概念，到今天已经可以通过忆阻器阵列实现人工神经网络芯片，能效比现存GPU高两个数量级。这种具有非易失性，可实现高密度集成，高读写速度，并且具有非常低的功耗的新型元件，有望在高性能存储与神经形态计算上发挥重要作用。

忆阻器根据其阻变层可分为氧化物、硫化物、二维材料、钙钛矿、有机物基，其中氧化物基忆阻器由于其组分易于调控，稳定性好，且与传统的CMOS 工艺相兼容，被认为是当下发展高性能忆阻器的理想材料。忆阻器的忆阻机理主要有导电细丝型和界面型，其中导电细丝型又可分为热化学、电化学、氧离子空位迁移和氧化还原反应，界面型又可分为氧空位迁移和氧化还原反应，界面电子效应和铁电极化效应。目前对忆阻器的材料体系与忆阻机理的探索都属于快速发展阶段，然而忆阻器从器件制备到性能测试再到应用上仍存在着很多问题，如循环稳定性较差开关比等，在模拟突触功能时存在响应速度慢，功耗高等问题。如何根据需求，寻找合适的忆阻材料，完善相关制备工艺，制备出性能优异的器件，并深入理解其忆阻机理以实现忆阻器在类脑计算方面的应用具有重要意义。

发明内容

针对忆阻器现存的问题，本发明采用了电化学阳极氧化法与提拉法相结合的工艺手段，利用气液固界面腐蚀效应，制备出羽毛状多孔Si/SiO_x结构，根据这种特殊结构制备了一种基于羽毛状多孔氧化物忆阻器，器件具有明显的忆阻行为和多态累积效应，为忆阻器的材料体系创新以及忆阻机理的探究提供了新的路径，为忆阻器在神经形态计算的发展提供了前景。

本发明采用以下的技术装备图，如图2所示。该装备由电化学工作站和注射泵组成，其中电化学工作站用来提供恒电流源，恒电流源的正极连接高掺单晶硅片作为作为电化学反应的阳极材料，负极连接Pt片作为电化学反应的阴极材料，按照实验条件设置恒电流源输出电流，将阳极与阴极一同浸入盛有HF 电解液的电解槽，即可发生电化学阳极氧化反应；注射泵主要包括步进电机、丝杆、螺母、注射器，将注射泵的注射器吸管浸入电解槽中，设置注射泵为抽取模式，抽取流速可以通过参数调控，工作时，由步进电机的旋转运动带动丝杆发生直线运动，从而拉动注射器的活塞进行电解槽中电解液的高精度、平稳无脉动的液体的抽取。本装备中电化学工作站与注射泵协同工作，在进行电化学阳极氧化反应时，同时打开注射泵抽取电解液，抽取过程可等效为对阳极、阴极材料的提拉过程，由此可在电解液、阳极与空气的气液固界面形成连续的界面腐蚀效应。

本发明所述一种基于羽毛状多孔氧化物忆阻器，其整体结构由下至上依次包括底电极层、多孔缓冲层、氧化物层、顶电极层；其特征在于：

所述底电极层为P型(100)高掺硅，电阻率0.0015Ω*m。