[发明专利]一种低功耗卟啉锌忆阻器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种低功耗卟啉锌忆阻器及其制备方法，所述卟啉锌忆阻器从下至上依次包括底电极、有机阻变层、无机阻变层、顶电极，所述有机阻变层为小分子卟啉锌，所述底电极为氧化铟锡，所述顶电极为金属铝，其特征在于，所述无机阻变层为厚度6～10nm的非化学计量比氧化铝薄膜，所述非化学计量比氧化铝薄膜中氧原子和铝原子的数量比值即氧铝比为1.2～1.3。所述无机阻变层为采用热原子层沉积薄膜制备所得的非化学计量比氧化铝。本发明通过引入热原子层沉积工艺手段，获得了高质量可控的非化学计量比氧化铝薄膜，改进了有机忆阻器的开关功耗及稳定性，使其在拥有生物突触响应的同时，具有线性度良好的突触权重更新过程。

技术领域

本发明属于有机光电材料和神经形态硬件领域，尤其涉及一种低功耗卟啉锌忆阻器及其制备方法。

背景技术

当今以实时语音、图像、神经信号等非结构化数据为主的大数据时代亟需具有更强大算力的计算体系与计算单元，从而研究开发具有类脑特性(高度并行、功耗低、高密度)的神经形态硬件成为了未来计算研究的基础。而具有可重构的依赖于操作历史的电阻切换行为的两端忆阻器所能够模拟生物突触的突触功能，是用于构建神经形态计算的模拟类神经网络的最有前景的技术之一。与传统电存储式的数字类阻变器件的两级电阻态(高阻态和低阻态)不同，为了模拟突触功能，通常需要模拟类忆阻器的多级开关特性，因为此类开关特性被证明能在相同连续脉冲中获得多级权重，高线性度增强和抑制过程以及更低的操作功耗。

近年来，以有机材料为主的有机忆阻器为神经形态硬件提供了多功能化、柔性化、轻质化的选择，正成为最具潜力的人工神经网络核心元件技术方案。但相比于传统无机忆阻器，运行串扰、写入噪声、寿命短阻碍了有机忆阻器的阵列化发展。故将有机材料与无机材料的优势同时结合成为了许多课题组的研究目标，如合成有机-无机杂化聚合物材料(ACS Nano,2011,5,3469-3474)、利用有机材料结构特点(Advanced Science2020,7(8):1902864)等来结合有机材料与无机材料的优势，但是这些方法存在工艺复杂，开发周期长等缺点。虽然已经存在针对有机-无机界面进行简单堆垛的设计(Advanced ElectronicMaterials 2016,2(2))，其较高的功耗水平无法满足低功耗运行的神经形态硬件的需求。

申请公布号为CN106601909A的专利文件中公开了一种有机忆阻器，其无机阻变层采用低真空蒸镀原位方法形成，直接蒸发金属铝得到，虽然通过这种方式可以一定程度上降低无机阻变层的氧铝比，但这种调控方式获得无机阻变层中的氧铝比是不确定的，同一批次生产的器件，其无机阻变层薄膜中的铝氧比不同，造成器件性能的不稳定。且这种制备方式获得的无机阻变层铝氧比过低，是因为在真空热蒸镀的方式下沉积的氧化铝薄膜，在其沉积过程中能够控制的因素仅有沉积的时长与速率，即沉积薄膜的厚度，无法采用其他方式主动调控氧化铝中的氧含量与铝含量，而对于这种原位生长的氧化铝薄膜，其本质是蒸发金属铝，铝厚度上升到一定时，其薄膜就会变为金属铝层，因此这种方法难以固定无机阻变层的具体组分与比例，制备的器件的开关均匀性较差且功耗较高。

发明内容

针对现有有机忆阻器存在的上述技术问题，仍需要设计针对有机材料与无机材料的搭配策略，以实现具有多级开关特性的低功耗模拟类忆阻器进行类突触塑性模拟应用；本发明提出一种性能稳定的低功耗卟啉锌有机忆阻器且提供了相应的制备方法，制备出具有有机-无机界面调控模拟类忆阻器，所述有机忆阻器结构易于设计，性能稳定，拥有多电压范围的稳定开关特性，可应用于突触塑性功能模拟。

第一方面，本发明提供了一种低功耗卟啉锌忆阻器，包括四层结构，从上至下依次包括顶电极、无机阻变层、有机阻变层，底电极；所述阻变层用于实现多级开关特性。

其中，所述顶电极材料为金属铝，用于与地相连。

其中，所述有机阻变层材料为卟啉锌，作为离子传输层；