CN103346256A - 一种基于铁电隧道结的忆阻器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铁电隧道结的忆阻器，其铁电隧道结具有金属/铁电体/半导体结构，并在Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3铁电隧道结中实现其忆阻性能。本发明采用半导体作为铁电隧道结的底电极，形成金属/铁电体/半导体结构，通过精确控制铁电层中的有效极化，并结合铁电场效应，实现对结势垒高度和宽度的同时调制，从而获得忆阻效应。克服了传统忆阻器在制备过程中带电缺陷分布的随机性和操作中的难以控制性以及写/读电压的弥散性等缺点。
Description
技术领域
该发明属于人工神经网络计算机领域，具体是一种基于铁电隧道结的新型忆阻器结构。
背景技术
电阻、电容和电感三个基本无源电路元件长久以来被人们熟知，基于电路中电流i，电压v，电荷q和磁通量φ四个基本变量在数学上的对称性，还有第四种无源器件忆阻器的存在，即拥有记忆能力的电阻器。具体来说，忆阻器本身的阻态会随通过其电荷量的变化而自发改变，具有电流调制性，并且这些变化是非挥发的，可以被器件“记住”。忆阻器在外电场作用下电阻连续可调，最终阻态取决于通过器件电流的历史，根据器件结构不同，正向（负向）的电流会连续增加（降低）其电阻值。也就是说，忆阻器能够记住外界“刺激”，并根据“刺激”的方式来调整自身“状态”。这一特性与人类和动物大脑中神经元连接处突触的工作机制相似，可以设想将忆阻器的电阻值类比为突触权重（即连接强度），突触在神经元放电刺激下能够自发调整其连接强度，如“正”刺激（从前神经元向后神经元）使其连接强度增加，而“负”刺激会削弱神经元的连接，即生物学中突触的放电时序依赖可塑性（spike-timing-dependent plasticity），也是Hebbian竞争学习理论的基本机制。因此，可制成基于忆阻器的“神经网络”，来发展神经形态计算机，模拟生物大脑，实现传统冯·诺依曼结构计算机难以进行的学习功能。
人们对忆阻器的研究工作尽管涉及到多个材料体系，但均是基于传统阻变效应来实现外加电刺激对阻态连续调制的，其工作机理大多依赖外电场激励下，器件中带电缺陷，如氧空位，Ag+等的迁移和聚集。众所周知，带电缺陷的形成往往要求材料为非化学计量比，在制备中具有很大随机性，难以控制，并很容易受到外部环境如温度等条件影响。这无疑增加了器件制备难度，并影响器件的可靠性和使用寿命，限制了忆阻器的发展。如何寻找一种材料（或结构），其忆阻特性的实现不依赖带电缺陷对电信号的响应成为忆阻器发展中的新挑战。
最近，在铁电隧道结中发现了忆阻效应，并证实忆阻行为依赖于隧道结铁电势垒中铁电畴的翻转和有效剩余极化。铁电隧道结具有金属/铁电体/金属（MFM）的三明治结构。其基于量子隧道效应和自发极化双稳态工作，以只有几个纳米厚的铁电超薄膜做为电子的势垒。直观上说，自发极化翻转改变了铁电体/金属界面上极化束缚电荷的符号，从而改变势垒的高度，实现结电阻在高、低两个态之间翻转。微观上，铁电极化翻转通过反向畴成核，新畴向前生长和畴壁侧向移动来完成，这一过程所需能量来自外加电场并依赖于电场强度、脉冲宽度等参数。因此，选择合适的场强和脉冲持续时间等，能够实现势垒中铁电极化的不完全翻转。这就在不改变极化方向前提下改变其有效强度（即有效极化），从而获得一系列不同高度势垒，并且势垒高度与外加电场历史有关。由于铁电体极化的双稳特性，这些状态能够保持，从而在铁电隧道结中实现了忆阻特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于铁电隧道结的新型忆阻器，该忆阻器可以实现对结势垒高度和宽度的同时连续调制，从而获得忆阻效应。
本发明所述的一种基于铁电隧道结的忆阻器，其铁电隧道结为金属/铁电体/半导体结构。
进一步的，所述金属/铁电体/半导体铁电隧道结具体结构为Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3、Au/Pb(ZrTi)O3/(LaSr)MnO3或者Au/Co/BaTiO3/La:SrTiO3。
本发明注意到量子隧穿机制中，电子透过率不仅指数的依赖势垒高度，还同样取决于势垒宽度这一事实，如在铁电隧道结势垒高度变化的过程中实现对宽度的同步调制，这无疑会更有效的调制隧穿电阻，极大的提高忆阻特性，加强器件的计算、逻辑、模拟和学习等功能的可操作性，推动忆阻器发展。因此，借鉴铁电场效应器件的工作机制，采用n型半导体作为电极，提出基于MFS隧道结的新型忆阻器结构。这一结构中，通过精确控制外加电信号波形，如脉冲宽度，电压幅度，脉冲次数等，连续调制MFS隧道结铁电势垒中的有效极化大小和方向，从而实现器件电阻值在高阻和低阻态之间的连续变化。具体来说，当极化指向半导体时，正极化束缚电荷使半导体进入积累态，铁电极化被多数载流子（电子）屏蔽，这与MFM隧道结类似，有效极化的增加逐步降低了势垒高度，实现对结电阻从高阻向低阻态的连续减小。但当极化指向金属电极时，负束缚电荷迫使半导体进入耗尽态，由电离施主来屏蔽极化电荷。一方面，极化的翻转增加了势垒高度。另一方面，半导体表面耗尽态空间电荷层本身就是电子的势垒，耗尽层厚度取决于极化束缚电荷密度，因此可以通过改变有效极化强度来连续调制结势垒高度和宽度，从而实现结电阻从低阻向高阻态的连续增加。
所以，通过控制电脉冲信号，连续调制了MFS结构忆阻器的电阻值，从而模拟了突触的记忆功能，即随着电刺激形式的改变，“人工突触”的权重随之发生了改变。基于铁电极化翻转的金属/铁电体/半导体结构新型忆阻器件具有优良的可靠性和易操控性，克服了传统忆阻器在制备过程中带电缺陷分布的随机性和操作中的难以控制性以及写/读电压的弥散性等缺点。
实验上，以Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3铁电隧道结为例，通过改变施加在Pt顶电极上的电脉冲波形，如电压幅度，脉冲宽度和脉冲次数等，调制BaTiO3势垒有效极化。比如该器件处于低阻态时，逐渐增加负电压幅度和脉冲宽度，可使得BaTiO3的极化翻转并且有效极化值逐渐增大，Nb:SrTiO3半导体表面耗尽态空间电荷层厚度逐渐增加，从而连续改变势垒的高度和宽度，实现器件电阻值在低阻和高阻之间的连续调制。
附图说明
图1，金属/铁电体/半导体忆阻器结构示意图，以crossbar结构为例。
图2，Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3铁电隧穿忆阻器的电阻回线（上），下图为施加电脉冲序列示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出的忆阻器具有金属/铁电体/半导体结构（左，以crossbar结构为例。M、F、S分别代表金属、铁电体、半导体）。右图示意了铁电极化调制结电阻工作机理（包括电荷分布和能带结构），右上为铁电极化指向半导体，此时器件处于低阻态；右下为极化指向金属，此时器件处于高阻态。
图2中，上图是Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3铁电隧穿忆阻器的电阻回线，下图为施加电脉冲序列示意图。首先采用+3.0 V将器件设为低阻态，此时BaTiO3的极化指向半导体一边，随后施加-0.5→-1.6→-0.5→+0.5→+1.6→+0.5 V的正弦型脉冲序列，考察忆阻器电阻随电脉冲的变化趋势。上图中箭头标明测试方向。如阴影部分所示，随着脉冲幅度的增加，忆阻器电阻值逐渐被调制，从低阻到高阻态（I）和从高阻到低阻态（II）均表现出电阻随电脉冲幅度增加的连续可调性。
制备方法
本发明提出的金属/铁电体/半导体铁电隧穿忆阻结构，选用商业半导体单晶为底电极和基片，如Si、Nb:SrTiO3、La:SrTiO3、(LaSr)MnO3等。铁电层一般选用BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3、BiFeO3等，可采用脉冲激光沉积，分子束外延，磁控溅射等技术沉积。金属电极层一般选用Pt、Au、Fe、Ni等，可采用直流溅射，电子束蒸发等技术沉积。因此不管在材料选择，还是在制备工艺上，本发明所述存储方案均是切实可行的。
具体以Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3铁电隧道结为例，详述制备方法。采用（001）取向Nb:SrTiO3单晶体作为底电极和基底，利用脉冲激光沉积在其上外延沉积BaTiO3薄膜，采用化学计量比BaTiO3陶瓷为靶材，沉积温度为750℃，氧分压为0.001 mbar，激光能量密度为2 J/cm2，频率为2 Hz。采用原位反射式高能电子衍射仪或者以记录激光脉冲次数的方式来控制BaTiO3厚度在2-5 nm。然后采用直流溅射，在BaTiO3/Nb:SrTiO3上沉积Pt顶电极层，电极厚度一般在30-50 nm。
本发明创新的采用半导体作为铁电隧道结的底电极，形成MFS结构，通过精确控制铁电层中的有效极化，并结合铁电场效应，实现对结势垒高度和宽度的同时调制，从而获得忆阻效应。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于铁电隧道结的忆阻器，其特征在于，该铁电隧道结为金属/铁电体/半导体结构。
2.根据权利要求1所述的基于铁电隧道结的忆阻器，其特征在于，所述金属/铁电体/半导体铁电隧道结具体结构为Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3、Au/Pb(ZrTi)O3/(LaSr)MnO3或者Au/Co/BaTiO3/La:SrTiO3。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Application publication date: 20131009 |