[发明专利]氧空位与离子异质集成的神经突触忆阻器及其制备方法

说明书

本发明公开一种氧空位与离子异质集成的神经突触忆阻器及其制备方法。该氧空位与离子异质集成的神经突触忆阻器包括：衬底；底电极，形成在所述衬底上；功能层，形成在所述底电极上，由氧化物层和离子凝胶层构成，所述氧化物层用于提供氧空位通道实现稳定的电阻转变行为，所述离子凝胶层用于提供可移动离子模拟生物信息传递；顶电极，形成在所述功能层上。同时具有氧空位型忆阻器的高速、稳定响应与离子型忆阻器的仿生信息传递功能。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种氧空位与离子异质集成的神经突触忆阻器及其制备方法。

背景技术

忆阻器作为一种新型的存储单元，具有微缩性强、集成度高、速度快、功耗低、操作电压小等优势。自1971年被提出后，直到2008年才被实验证实其可行性。随后，各种结构与材料组分的忆阻器被广泛研究以寻求更加优异的存储性能。

另一方面，由于传统计算机存储单元与计算单元处于物理分离的情况，导致集成电路算力的发展遇到瓶颈。虽然通过器件的尺寸微缩、增加集成密度的方法可以提高设备的算力，然而由于器件尺寸逐渐逼近物理极限，这种方式难以在今后可持续发展。因此需要开发新型的电子器件从崭新的角度解决这一问题。神经突触电子器件具有类似人脑的工作方式，可以打破物理结构的限制，从功能上实现计算与存储集成，为高能效的计算提供了新的途径。

目前神经形态的忆阻器多基于氧空位型功能层进行制备，展现出耐久性强、速度快等优势。虽然这种类型的忆阻器能在一定程度上模拟类脑计算功能，但工作过程中依赖于可移动电子或空位缺陷，难以与生物体中可移动离子的工作模式完全贴合。然而，离子型忆阻器的稳定性较差、响应速度较慢，难以满足计算单元高速稳定工作的需求。因此，需要探求一种结合氧空位导电机制与离子迁移机制的异质集成忆阻器，同时实现两者的优势功能，在提高器件稳定性与操作速度的同时提高器件的仿生能力。

发明内容

为了解决上述问题，本发明设计了一种氧空位与离子异质集成的神经突触忆阻器，结合了氧化物功能层的氧空位通道高速、稳定响应与离子功能层的离子仿生迁移功能，实现稳定、高速、仿生的神经突触功能，用于构建神经形态计算的新型忆阻单元。

本发明的一种氧空位与离子异质集成的神经突触忆阻器包括：衬底；底电极，形成在所述衬底上；功能层，形成在所述底电极上，由氧化物层和离子凝胶层构成，所述氧化物层用于提供氧空位通道实现稳定的电阻转变行为，所述离子凝胶层用于提供可移动离子模拟生物信息传递；顶电极，形成在所述功能层上。

本发明的一种氧空位与离子异质集成的神经突触忆阻器中，优选为，当在顶电极施加正向电压时，氧化物层中的氧空位向底电极移动并在底电极开始积累，随着施加电压的时长增加，氧空位逐渐在底电极与离子凝胶层连接形成导电通道；另一方面，离子凝胶层中的离子在正向电压的作用下逐渐向底电极方向迁移，当离子达到离子凝胶层的底部时，与氧化物层的顶部连接；随着电压的进一步施加，离子可以逐渐积累并将氧化物层的顶部与顶电极之间连接，并借助氧化物层中的氧空位通道，最终在顶电极与底电极之间形成连续的导电通道，从而实现忆阻器阻态的降低，器件由高阻态转变为低阻态。

本发明的一种氧空位与离子异质集成的神经突触忆阻器中，优选为，当在顶电极施加负向电压时，离子凝胶层中的离子导电通道与氧化物层中氧空位导电通道出现断裂，导致器件顶电极与底电极之间没有连续的电流传递通道，器件的电阻变高，器件由低阻态转变为高阻态。

本发明的一种氧空位与离子异质集成的神经突触忆阻器中，优选为，所述氧化物层为HfO₂、Ta₂O₅或Al₂O₃。

本发明的一种氧空位与离子异质集成的神经突触忆阻器中，优选为，所述离子凝胶层中凝胶溶质离子是Li⁺、Na⁺、Ca²⁺、K⁺中的一种或其组合，凝胶溶剂是PEO、PI、PVA、PVP中的一种或其组合。