CN109461814B - 一种基于氧化锌的忆阻器及其制备方法和在制备神经突触仿生器件中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于氧化锌的忆阻器及其制备方法和在制备神经突触仿生器件中的应用，所述忆阻器的结构从下到上依次包括FTO衬底、在所述FTO衬底上形成的ZnO中间介质层以及在所述ZnO中间介质层上形成的W电极层；所述ZnO中间介质层的厚度为10~30nm。所述W电极层由若干均匀分布在ZnO中间介质层上的直径为80~300μm的圆形电极构成。本发明提供的基于氧化锌的忆阻器是使用了宽带隙氧化物ZnO优化器件性能，在特定厚度下和制备工艺条件下，其仿生性能表现良好，具有模拟神经不应期行为的能力，且功耗降低，易于制备，使忆阻器模拟生物神经突触的可塑性性能应用前景更为广阔。
Description
技术领域
本发明涉及忆阻器技术领域，具体涉及一种基于氧化锌的忆阻器及其制备方法和在制备神经突触仿生器件中的应用。
背景技术
忆阻器，是继电阻、电容、电感之后又一种新的无源电路元件。最早提出忆阻器概念的人，是华裔的科学家蔡少棠。简单说，忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻。通过控制电流的变化可改变其阻值，如果把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”，则这种电阻就可以实现存储数据的功能，实际上就是一个有记忆功能的非线性电阻器。在2008年，惠普实验室的研究人员制作了第一个忆阻器件，之后科学界掀起了对忆阻器的研究热潮。
忆阻器是一种两端器件，因此可以高密度集成。此外，其不同电阻态之间转变很快，与CMOS工艺兼容。由于忆阻器的这些特点，使得其在信息存储和神经突触模拟方面有着独特的优势。
在神经系统中，每个神经元与突触都在同步地存储并处理信息。外界刺激产生的信号输入在神经系统中传递，最终在输出响应的过程中将信息的存储和处理完善的结合在一起，这种信息存储和处理的能力与神经突触的可塑性密切相关。忆阻器作为一种具有记忆功能的非线性电阻，其阻值能够随流经的电荷量而发生变化，并在断电后保持这种变化的状态，可以认为是模拟神经突触的完美器件。目前，已有一些关于基于忆阻器的神经突触仿生器件的研究报道，但其仿生效果不太理想，功耗也较大，因此，研究一种结构简单、仿生效果好、能耗低的忆阻器对于推进神经突触仿生器件的研究具有重要意义。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种基于氧化锌的忆阻器，以解决现有忆阻器仿生效果不理想、功耗大的问题。
本发明的目的之二在于提供一种基于氧化锌的忆阻器的制备方法和在制备神经突触仿生器件中的应用。
本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：一种基于氧化锌的忆阻器，其结构从下到上依次包括FTO衬底、在所述FTO衬底上形成的ZnO中间介质层以及在所述ZnO中间介质层上形成的W电极层；所述ZnO中间介质层的厚度为10~30nm。
所述W电极层由若干均匀分布在ZnO中间介质层上的直径为80~300μm的圆形电极构成。
所述圆形电极的厚度为50~200nm。
本发明还提供了上述基于氧化锌的忆阻器的制备方法，包括以下步骤：
（a）将FTO衬底依次在丙酮、酒精和去离子水中用超声波清洗，取出后用N2吹干；
（b）将FTO衬底固定到磁控溅射设备腔体的衬底台上，并将腔体抽真空至1×10-4~6×10-4Pa，向腔体内通入流量为20~75sccm的Ar和20~75sccm的O2，调整接口阀使腔体内的压强维持1~6Pa，打开控制ZnO靶材起辉的射频源，调整射频源功率为60~100W，使ZnO靶材起辉，预溅射1~5min；之后正式溅射5~20min，在FTO衬底上形成了ZnO中间介质层，所述ZnO中间介质层的厚度为10~30nm；
（c）在形成ZnO中间介质层的衬底上放置掩膜版，将腔体抽真空至1×10-4~4×10- 4Pa，向腔体内通入流量为20~30sccm的Ar，调整接口阀使腔体内的压强维持1~6Pa，打开控制钨靶材起辉的直流源，调整直流源功率为10~20W，使钨靶材起辉，预溅射4~6min；之后正式溅射6~10min，在ZnO中间介质层上形成W电极层。
步骤（c）中，所述掩膜版上均布有直径为80 ~300μm的圆形孔。
步骤（c）中，所述W电极层由若干均匀分布在ZnO中间介质层上的直径为80~300μm的圆形电极构成，所述圆形电极的厚度为50~200nm。
本发明进一步提供了上述基于氧化锌的忆阻器在制备神经突触仿生器件中的应用。
当施加5~15V的正向方波时，所述忆阻器具有模拟神经不应期行为的能力。
本发明提供的基于氧化锌的忆阻器是使用了宽带隙氧化物ZnO优化器件性能，在特定厚度下和制备工艺条件下，其仿生性能表现良好，具有模拟神经不应期行为的能力，且功耗降低（器件的电阻范围为107~1010欧姆），易于制备，使忆阻器模拟生物神经突触的可塑性性能应用前景更为广阔。此外，W作为顶电极，相对于其他惰性电极，其可以通过与大气中的水分子接触而溶解，不仅有利于环保，还可以用于医疗和安全防卫领域。
附图说明
图1为基于氧化锌的忆阻器的结构示意图。
图2为实施例2在制备忆阻器时使用的磁控溅射设备的结构示意图。
图3是实施例2所制备的忆阻器的电压-电流特性图。
图4为实施例2所制备的忆阻器的正向脉冲作用的神经仿生示意图。
图5为实施例2所制备的忆阻器的负向脉冲作用的神经仿生示意图。
图6为实施例2所制备的忆阻器的兴奋系统中不应期的神经仿生示意图。
图7为对比例1所制备的忆阻器的兴奋系统中的神经仿生示意图。
具体实施方式
下面实施例用于进一步详细说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
如图1所示，本发明所提供的忆阻器，其结构包括最底层的FTO衬底1、FTO衬底1上ZnO中间介质层2以及ZnO中间介质层2上的W电极层3。
其中，ZnO中间介质层2的厚度为10~30nm。W电极层3的厚度可以在50nm~200nm范围内，W电极层3由若干均匀分布在ZnO中间介质层2上的直径为80~300μm的圆形电极构成。
实施例2
本发明所提供基于氧化锌的忆阻器的制备方法包括如下步骤：
（1）利用镊子将FTO衬底的表面依次用蘸取丙酮、无水乙醇的脱脂棉擦拭，擦去表面附着的灰尘等小颗粒，初步清除其表面的油污，然后将FTO衬底放在丙酮中用超声波清洗10min，然后放入酒精中用超声波清洗10min，再用夹子取出放入去离子水中用超声波清洗5min，之后取出，用N2吹干；
（2）ZnO中间介质层的制备：
采用如图2所示的磁控溅射设备，如图2所示，打开磁控溅射设备的腔体4，拿出压片台7，先用砂纸打磨干净至发亮，用丙酮清洗压片台表面附着的有机物，用酒精最后擦拭干净。将清洗好的基片（即FTO衬底）放在压片台7上压片，压片时保证FTO衬底稳固压在压片台7上并且压平，保证溅射时候生长薄膜均匀。将整理好的压片台7放入腔体4内的衬底台8上，固定好后关闭腔体4，对腔体4及气路抽真空至2×10-4Pa。
在腔体4内压片台7（在压片台底面正中间压的是衬底，图中没有给出标识）的下方设置有两个靶台6，靶台6上用于放置靶材11。本发明中两个靶台6上所放置的靶材11分别为氧化锌靶材和钨靶材。氧化锌靶材由磁控溅射设备腔体外的射频源来控制其起辉。在钨靶材的靶台上方设置有可进行遮挡的第一挡板（图中未示出），在压片台7底面的衬底下方设置有可对衬底进行遮挡的第二挡板（图中未示出）。第一挡板和第二挡板均可由磁控溅射设备腔体外的相应按钮来控制其旋转。
本步骤中首先由第二挡板将衬底挡住，之后通过充气阀5向腔体4内通入50sccm氩气（Ar），且O2的体积流量也为50sccm；调整机械泵与分子泵接口阀10使腔体4内的压强达到所需反应压强3Pa，打开射频源，调整射频源功率为80W，使ZnO靶材起辉，预溅射5min。预溅射是为了清洁靶材表面，所以预溅射时需要将衬底挡住，以免在衬底上形成不想要的膜层。之后打开挡板，正式溅射10min，在形成FTO衬底上形成了厚度为20nm的ZnO中间介质层；
（3）生长W电极层：
关闭射频源，通过进气阀9泄压，打开磁控溅射设备腔体4，在形成有ZnO中间介质层的衬底上放置掩膜版，掩膜版上均匀密布有直径为90μm的圆形孔。W电极层生长结束后，这些圆形孔的尺寸即为忆阻器的有效工作区域的尺寸。
用真空泵通过机械泵与分子泵接口阀10将磁控溅射设备腔体抽真空至2×10-4Pa。通过充气阀5向腔体4内通入流量为25sccm的Ar，调整接口阀10使腔体内的压强维持在3Pa。由第二挡板将衬底挡住，由第一挡板将钨靶材挡住；打开直流源，调整直流源功率为40W，使腔体内的钨靶材起辉，预溅射5min；之后移去第一挡板和第二挡板，正式溅射15min，在ZnO中间介质层上形成W电极层。
通过控制生长速率及生长时间，可控制W电极膜层的厚度在50nm~200nm范围内。W电极层即是若干与掩膜版上的圆形孔直径相同的圆形电极。
对比例1
除所形成的ZnO中间介质层厚度在50~60nm外，其他步骤均与实施例2相同。
实施例3 性能测试
通过加在实施例2制备的忆阻器的扫描电压测定其电流电压特性曲线，结果见图3所示。由图3可知，当用正（0至5V）和负（0至-5V）电压连续扫描器件时，器件的电导率分别随电压扫描而连续增加和减少。从图3中可以看出，基于本方法制备的忆阻器具有稳定的生物神经模拟特性。
对实施例2制备的忆阻器的神经突触模拟功能进行了测试，其结果见图4和图5所示，图中显示本发明制备的器件具有突触权重变化复合生物突触特性，表现了良好的神经仿生效果。
其中，图4是对器件连续施加20圈的正向方波，图4a显示了器件电流和脉冲幅度之间的关系，脉冲宽度和间隔固定为100ns。图4b显示了器件电流与脉冲宽度的关系，脉冲幅度和间距固定为5V和100ns。图4c显示了器件电流和脉冲间隔之间的关系。图中可以看出，通过改变由尖峰参数确定的有效通量来改变突触重量的变化量，所述尖峰参数包括脉冲幅度、脉冲持续时间、脉冲数和脉冲间隔。
图5是对器件连续施加20圈的负向方波所得到的图。其与图4类似，显示了随着脉冲数的增加，脉冲幅度，脉冲持续时间，脉冲数和脉冲间隔对器件的电流的影响。
通过对实施例2和对比例1的忆阻器施加单独的正向方波，当正向方波在5~15V时，实施例2制备的忆阻器具有模拟神经不应期行为的能力，两者神经仿生示意图分别如图6和图7所示。
综合图4、图5和图6，说明本发明忆阻器的电阻是可调的，其有很好的神经仿生效果，对人工智能的研究和应用有重要意义。
Claims (8)
1.一种基于氧化锌的忆阻器，其特征在于，其结构从下到上依次包括FTO衬底、在所述FTO衬底上形成的ZnO中间介质层以及在所述ZnO中间介质层上形成的W电极层；所述ZnO中间介质层的厚度为10~30nm。
2.根据权利要求1所述的基于氧化锌的忆阻器，其特征在于，所述W电极层由若干均匀分布在ZnO中间介质层上的直径为80~300μm的圆形电极构成。
3.根据权利要求2所述的基于氧化锌的忆阻器，其特征在于，所述圆形电极的厚度为50~200nm。
4.一种基于氧化锌的忆阻器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）将FTO衬底依次在丙酮、酒精和去离子水中用超声波清洗，取出后用N2吹干；
（b）将FTO衬底固定到磁控溅射设备腔体的衬底台上，并将腔体抽真空至1×10-4~6×10-4Pa，向腔体内通入流量为20~75sccm的Ar和20~75sccm的O2，调整接口阀使腔体内的压强维持1~6Pa，打开控制ZnO靶材起辉的射频源，调整射频源功率为60~100W，使ZnO靶材起辉，预溅射1~5min；之后正式溅射5~20min，在FTO衬底上形成了ZnO中间介质层，所述ZnO中间介质层的厚度为10~30nm；
（c）在形成ZnO中间介质层的衬底上放置掩膜版，将腔体抽真空至1×10-4~4×10-4Pa，向腔体内通入流量为20~30sccm的Ar，调整接口阀使腔体内的压强维持1~6Pa，打开控制钨靶材起辉的直流源，调整直流源功率为10~20W，使钨靶材起辉，预溅射4~6min；之后正式溅射6~10min，在ZnO中间介质层上形成W电极层。
5.根据权利要求4所述的基于氧化锌的忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤（c）中，所述掩膜版上均布有直径为80 ~300μm的圆形孔。
6.根据权利要求4所述的基于氧化锌的忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤（c）中，所述W电极层由若干均匀分布在ZnO中间介质层上的直径为80~300μm的圆形电极构成，所述圆形电极的厚度为50~200nm。
7.一种权利要求1~3任一所述的基于氧化锌的忆阻器在制备神经突触仿生器件中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，当施加5~15V的正向方波时，所述忆阻器具有模拟神经不应期行为的能力。
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