CN111009609A

CN111009609A - 一种超晶格忆阻器功能层材料、忆阻器单元及其制备方法

Info

Publication number: CN111009609A
Application number: CN201911350103.XA
Authority: CN
Inventors: 王兴晟; 王成旭; 缪向水
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2020-04-14
Anticipated expiration: 2039-12-24
Also published as: CN111009609B; WO2021128994A1

Abstract

本发明提供了一种超晶格忆阻器功能层材料、包含该超晶格忆阻器功能层的忆阻器单元及其制备方法，其中，该超晶格忆阻器功能层材料是至少由第一金属氧化物层和第二金属氧化物层交替堆垛在第一平面方向形成层叠结构。本发明利用两种二元金属氧化物氧离子的迁移势垒不同，使得忆阻器在一定条件下，阻态可进行稳定的缓变，实现了对氧空位导电细丝通断的调制效果，提高了忆阻器的稳定性和一致性。此外，忆阻器电导可以随外加电场连续变化，实现了电导连续可调的突触特性，提高了类脑神经形态计算突触线性度。对于存储融合计算和神经形态计算的硬件实现具有重要意义。

Description

一种超晶格忆阻器功能层材料、忆阻器单元及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，更具体地，涉及一种超晶格忆阻器及其制备方法。

背景技术

忆阻器被认为是电阻、电容、电感之外的第四种无源基本电路元件。忆阻器的阻值会随着流经它的电荷量而发生改变，并且能够在断开电流时保持它的阻值状态，从而实现非易失的信息存储功能。经研究忆阻器所具有的非易失信息存储功能，使得其可以应用于高密度信息存储或者是非易失性状态逻辑运算。此外，部分忆阻器具有电导连续可调的特性，使得其也可以作为突触器件应用于类脑神经形态计算。忆阻器在单个器件中实现了存储与计算的融合，使得其成为构建非冯·诺依曼计算体系架构的基础器件之一。

目前基于导电细丝理论的忆阻器具有结构简单、功耗低、读写速度快等优势，使其成为最具潜力的存储技术之一。然而，忆阻器开始研究的时间并不长，仍有许多问题亟待解决。一方面，忆阻器中离子在介质材料中的迁移会形成导电细丝，导电细丝的连通和断裂使器件的电导值发生变化。由于忆阻器的导电细丝的通断具有随机性，因此当下大部分忆阻器都存在操作电压、高低阻态分布离散的问题，这使得器件间(device to device)和电学循环(cycle to cycle)的一致性都存在问题。这严重限制了忆阻器存储芯片的存储容量，也对忆阻器的大规模集成和电路设计带来了很大的挑战。另一方面，在现代类脑神经形态计算领域，忆阻器作为突触元件导电细丝在介质层形成的瞬间会导致器件电导的突然增高，这并不符合类脑模拟中希望忆阻器电导可以随外加电场连续变化的要求，突触特性线性度普遍较差，这也严重制约了人工神经网络芯片外围电路的研究，不仅增加了设计成本，而且使电路面积增大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超晶格忆阻器单元及其制备方法，其中忆阻器单元中关键的功能层为两种不同的金属氧化物层交替堆垛且彼此之间成键结合形成的超晶格结构。通过利用两种金属氧化物不同的氧离子迁移势垒和电子亲合能，从而实现了对导电细丝通断的调制效果，提高了忆阻器的稳定性和一致性。此外，提高了电导连续可调的突触特性，就进一步增强了忆阻器突触线性度，使其极具潜力成为神经形态计算系统中的基本突触单元。

因此，本发明第一方面，提供一种超晶格忆阻器功能层材料，所述材料至少由第一金属氧化物层和第二金属氧化物层在第一平面交替堆垛形成层叠结构；

其中，所述第一金属氧化物层的氧离子迁移势垒不同于所述第二金属氧化物层的氧离子迁移势垒，以使在所述第一、第二金属氧化物层之间垂直于第一平面取向形成电接触；

其中，所述电接触包括氧离子在所述第一、第二金属氧化物层间的迁移受不同的氧离子迁移势垒的限制，以使所述功能层呈现非易失性阻态。

进一步地，所述第一、第二金属氧化物层的材料包括二元金属氧化物，其中所述金属包括Hf、Al、Ti、Ta、Cu、W、Ni、Zn、Zr、Fe、Mn和Nb。

本发明第二方面，提供一种具备上述超晶格忆阻器功能层的忆阻器单元，所述超晶格忆阻器功能层位于第一电极和第二电极之间。

进一步地，所述超晶格忆阻器功能层的厚度为5～10nm。

进一步地，所述超晶格忆阻器功能层中，所述第一金属氧化物层的厚度为2～15个原子层，所述第二金属氧化物层的厚度为1～3个原子层。

进一步地，所述第一电极由TiN、TaN、Pt、Au、Pd、Ir中至少一种构成，且其厚度为20～200nm。

进一步地，所述第二电极由Ti、Ta、Hf、Al中至少一种构成，且其厚度为20～200nm。

本发明第三方面提供一种上述忆阻器单元的调制方法，包括：

施加第一外激励，使所述第一、第二金属氧化物层中氧离子在所述第一、第二电极之间迁移，形成电接触；撤回所述第一外激励或者施加第二外激励，所述氧离子受迁移势垒影响，无法迁移回所述氧空位；

施加第三外激励，所述氧离子迁移回所述氧空位，使所述电接触断开。

进一步地，所述第一、第二电极之间电接触的通断可实现所述忆阻器单元高低阻态之间的切换。

本发明第四方面提供一种上述忆阻器单元的制备方法，包括：

提供衬底，在所述衬底表面沉积第一电极；

在所述第一电极表面交替沉积第一、第二金属氧化物层，形成超晶格忆阻器功能层；

在所述超晶格忆阻器功能层表面沉积第二电极。

进一步地，所述方法包括以原子层沉积方法所述第一电极表面交替沉积第一、第二金属氧化物层。

进一步地，所述第一金属氧化物层的厚度为2～15个原子层，所述第二金属氧化物层的厚度为1～3个原子层，所述超晶格忆阻器功能层的厚度为5～10nm

进一步地，在所述第一电极表面交替沉积第一、第二金属氧化物层的温度为200～300℃。

本发明第五方面提供一种超晶格忆阻器，包括权上述具备超晶格忆阻器功能层的忆阻器单元。

本发明提供的超晶格忆阻器及其制备方法，具有以下有益效果：

本发明所提供的一种超晶格忆阻器，将忆阻器中关键的功能层改进为两种不同的二元金属氧化物交替生长的超晶格结构，利用两种二元金属氧化物不同的氧离子迁移势垒和电子亲合能，使氧离子在功能层中进行迁移形成导电细丝，使得忆阻器在外激励条件下，阻态可进行稳定的缓变，从而实现了对导电细丝通断的调制效果，提高了忆阻器的稳定性和一致性。

此外，本发明所提供的超晶格忆阻器，可用于现代类脑神经形态计算领域作为突触元件，由于其阻态可进行稳定的缓变，其电导不会突然增高，忆阻器单元的电导可以随外加电场连续变化，实现了电导连续可调的突触特性，并且提高了突触线性度。这些改进对于该器件的大规模集成，制造更高存储容量的存储芯片以及存储融合计算和神经形态计算的硬件实现都具有重要意义。

最后，本发明还提供了一种超晶格忆阻器的制备方法，其制备工艺与传统集成电路芯片技术CMOS工艺兼容，可以通过后端工艺与CMOS工艺集成，制备流程简单，可操作性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为按照本发明实现的超晶格忆阻器功能层材料的结构示意图；

图2为按照本发明实现的具备超晶格忆阻器功能层的忆阻器单元的结构示意图；

图3为按照本发明实现的实施例和对比例的直流特性图；

图4为按照本发明实现的实施例的100次直流循环性能图和对比例的20次直流循环性能图；

图5为按照本发明实现的实施例和对比例在不同限流电压和不同reset电压下的直流特性图；

图6为按照本发明实现的超晶格忆阻器突触特性示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为衬底，2为第一电极，3为超晶格忆阻器功能层，4为第一金属氧化物层，5为第二金属氧化物层，6为第二电极。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

忆阻器是一种应用较多的微电子器件，随着对忆阻器存储器件的一致性和突触线性度要求越来越高，而当下大部分忆阻器的通断具有随机性，都存在操作电压、高低阻态分布离散的问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种超晶格忆阻器功能层材料，如图1所示，该超晶格结构材料是由两种具有不同带隙的金属氧化物原子层(即第一金属氧化物层4和第二金属氧化物层5)重复多次以一定的周期沿着特定的生长方向沉积形成，且不同金属氧化物原子层之间彼此之间成键结合，形成具有多层异质结的超晶格结构。

具体地，在这种超晶格结构中，横向二维平面上，该第一金属氧化物层4和第二金属氧化物层5可以为晶态的原子层也可以为非晶态的原子层，更具体地为非晶态的原子层；纵向二维平面上，第一金属氧化物层4和第二金属氧化物层5之间可束缚氧离子，并使其在纵向迁移，形成规则的异质结构，从而形成形成层间电接触。

本发明中，在上述超晶格结构中，第一金属氧化物层4和第二金属氧化物层5的带隙不同且氧离子迁移势垒不同。因此在这种异质结构中，施加特定的外激励，氧离子发生迁移，可形成电接触，即氧空位导电细丝；同时，撤回外激励或者施加其它外激励，所述氧离子受氧离子迁移势垒的影响无法迁移回原位置，呈现非易失性特性。具体地，为撤回外激励可使所述氧离子受氧离子迁移势垒的影响无法迁移回原位置。当施加相反的外激励时，氧离子克服迁移势垒填充氧空位，使电接触断开，即氧空位导电丝断开。

具体地，第二金属氧化物层5的氧离子迁移势垒高于第一金属氧化物层4的氧离子迁移势垒。

具体地，发明人利用外加激励诱导氧离子迁移，从而形成氧空位导电丝来实现记忆器件整体阻值的变化。两种金属氧化物层具有不同的氧离子迁移势垒，势垒低的氧离子更容易迁移，势垒高的氧离子迁移所需能量更高。在外激励条件下，第一金属氧化层4的氧离子更容易发生迁移，在第一氧化层中形成较粗的氧空位导电丝，第二金属氧化层5的氧离子较难迁移，在第二氧化层中形成较细的氧空位导电丝，导电通路也更固定，所以当外加激励时，本发明忆阻器的cycle to cycle的一致性会更好。因为两层氧化层氧离子迁移势垒的高低不同和氧空位导电丝的粗细及数量不同，在外加脉冲激励的情况下，氧空位导电丝的断裂是逐渐断开的，而不会发生突然的完全断裂所导致的电导跳变，因此本发明的忆阻器具有更好的突触权重缓变特性。当然，需要说明的是在这种特殊的超晶格忆阻器功能层材料中，往往是多种机制联合作用，申请人仅给出氧空位导电丝的工作机理。

本发明中，所述第一金属氧化物层4和第二金属氧化物层5均为两元的金属氧化物层。即其构成中只含两种元素，其中一种一定为氧元素，另一种为金属元素。

本发明中，所述第一金属氧化物层4和第二金属氧化物层5的材料包括二元金属氧化物，其中所述金属包括Hf、Al、Ti、Ta、Cu、W、Ni、Zn、Zr、Fe、Mn和Nb中一种或几种。

具体地，所述第一金属氧化物层4至少由HfO₂构成，所述第二金属氧化物层5至少由Al₂O₃构成。这里值得说明的是两种金属氧化物只要两者的氧离子迁移势垒相差较大，都可以形成本发明中优选的金属氧化物材料。

本发明中，所述超晶格忆阻器功能层3的厚度为5～10nm；其中，所述第一金属氧化物层4的厚度为2～15个原子层，所述第二金属氧化物层5的厚度为1～3个原子层。

具体地，所述超晶格忆阻器功能层3是由第一金属氧化物层4和第二金属氧化物层5周期交替而成，即从第一电极2依次：第一金属氧化物层4、第二金属氧化物层5、第一金属氧化物层4、第二金属氧化物层5……循环形成。所述第一金属氧化物层4提供氧离子迁移势垒较低，厚度为2～15个原子层，优选为3～10个原子层，最优为3个原子层。所述第二金属氧化层氧离子迁移势垒较高，提供氧离子迁移的壁垒，厚度为1～3个原子层，最优为1个原子层。超晶格忆阻器功能层3作为忆阻器单元储存电荷的重要组件，厚度为5～10nm，优选7～8nm。其中，两种金属氧化物层厚度不宜过高，过高会影响氧离子空位导电丝的通断。

具体地，所述超晶格忆阻器功能层3通过在原子层沉积过程中交替使用不同沉积脉冲制得。其是通过将金属氧化物材料脉冲交替地通入反应器并在沉积基体上化学吸附并反应而形成沉积膜。沉积反应中，交替使用脉冲可以形成上述超晶格结构，当第二金属氧化物达到沉积的第二金属氧化物层5表面，它们会产生表面化学吸附并发生表面反应。优选地，在金属氧化物层脉冲之间需要用惰性气体对原子层沉积反应器进行清洗。

如图2所示，本发明提供一种具备超晶格忆阻器功能层的忆阻器单元，包括：第一电极2、超晶格忆阻器功能层3和第二电极6，所述超晶格忆阻器功能层3位于第二电极6和第一电极2之间；更具体地，忆阻器单元还包括衬底1。

具体地，本发明中忆阻器最重要和体现其性能的超晶格忆阻器功能层3置于第二电极6和第一电极2之间，并与两者直接接触形成三明治结构。

本发明中，所述第一电极2由TiN、TaN、Pt、Au、Pd、Ir中至少一种构成，且其厚度为20～200nm，优选为100nm。所述第一电极2为惰性电极，优选TiN、TaN等与集成电路芯片技术CMOS工艺兼容的材料，或者Pt、Au、Pd、Ir等贵金属，但不限于此。第一电极2层的制备方法为在衬底1表面物理气相沉积原子层，优选为磁控溅射。

本发明中，所述第二电极6由Ti、Ta、Hf、Al中至少一种构成，且其厚度为20～200nm，选为100nm。第二电极6为活性电极，制备方法为在超晶格忆阻器功能层3表面物理气相沉积，优选为磁控溅射。

本发明中，提供一种上述忆阻器单元的调制方法，包括：

施加外激励，使所述第一、第二金属氧化物层中氧离子在所述第一、第二电极之间迁移，形成氧空位导电丝；撤回所述外激励或者施加其它外激励，所述氧离子受迁移势垒影响，无法迁移回所述氧空位；具体地，为撤回外激励可使所述氧离子受氧离子迁移势垒的影响无法迁移回原位置。施加相反的外激励，所述氧离子迁移回所述氧空位，使所述氧空位导电丝断开。

具体地，控制第一、第二电极之间氧空位导电丝的通断可实现上述忆阻器单元高低阻态之间的切换。

具体地，在上述忆阻器单元中，两种材料带隙不同且氧离子迁移势垒不同。因此在这种异质结构中，施加特定的外激励/SET操作，氧离子发生迁移，可使第一、第二电极之间形成氧空位导电细丝；同时，撤回外激励，所述氧离子受氧离子迁移势垒的影响无法迁移回原位置，使器件呈现非易失性。当施加相反的外激励时/RESET操作，氧离子克服迁移势垒填充氧空位导电丝，使第一、第二电极之间氧空位导电丝断开。由此，可通过第一、第二电极之间氧空位导电丝的通断实现忆阻器高低阻态之间的切换。

具体地，在上述忆阻器单元中，施加特定的外激励/SET操作用于设置逻辑1，当施加相反的外激励时/RESET操作即逻辑0。可通过对上述忆阻器单元施加一定的逻辑电路，控制氧空位导电丝的通断实现逻辑数列和数据的储存。本发明中，还提供一种上述超晶格忆阻器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：在衬底1上使用物理气相沉积的方法制备第一电极2；

步骤二：在步骤一中所述第一电极2上使用原子层沉积的方法制备超晶格忆阻器功能层3；其中，首先在所述第一电极2上制备2～15个原子层的第一金属氧化物层4，然后在所述第一金属氧化物层4上制备1～3个原子层的第二金属氧化物层5，如此循环直至所述超晶格忆阻器功能层3的厚度为5～10nm；

步骤三：在步骤二中所述超晶格忆阻器功能层3上使用光刻工艺和物理气相沉积的方法制备第二电极6；其中，首先在所述超晶格忆阻器功能层3上光刻制备电极图形，然后沉积电极材料，最后剥离、去除光刻胶，制得所述超晶格忆阻器。

具体地，在步骤一中，所述衬底1优选为SiO₂的单晶硅衬底，所述物理气相沉积方法优选为磁控溅射。通过磁控溅射的方法，在单面抛光生长有SiO2的单晶硅衬底1上生长一层第一电极2。直流溅射功率为100～300W，优选150W；溅射压强为0.2～2Pa，优选为0.5Pa；惰性气体为Ar气，溅射时间为1200s，控制溅射厚度优选为100nm。

具体地，在步骤二中，超晶格忆阻器功能层3是通过将两种金属氧化物在制备好的第一电极2上进行原子沉积交替脉冲制得。首先使用脉冲生长2～15个原子层的第一金属氧化物层4，在使用脉冲生长1～3个原子层第二金属氧化物层5。第一金属氧化物层4与第二金属氧化物层5的原子会彼此成键结合，功能层3为超晶格忆阻器功能层材料。第一金属氧化物层4和第二金属氧化物层5的材料包括二元金属氧化物，其中金属包括Hf、Al、Ti、Ta、Cu、W、Ni、Zn、Zr、Fe、Mn和Nb中一种或几种。第一金属氧化物层4优选为HfO₂层，第二金属氧化物层5优选为Al₂O₃层。这里值得说明的是两种金属氧化物只要两者的氧离子迁移势垒相差较大，都可以形成本发明中优选的金属氧化物材料。

溅射温度为200～300℃，优选为250℃。

具体地，在步骤三中，所述物理气相沉积方法优选为磁控溅射，即通过光刻工艺在功能层3上制备第二电极6图形，通过磁控溅射的方法生长第二电极6。首先通过光刻工艺在功能层3上制备第二电极6图形，其中光刻步骤包括匀胶、前烘、前曝、后烘、后曝、显影；然后使用磁控溅射将第二电极6材料溅射至制备好的功能层3上，溅射压强为0.2～2Pa，优选为0.5Pa；惰性气体为Ar气，溅射时间为500s，控制溅射厚度优选为100nm；最后使用丙酮浸泡所制备的第二电极6薄膜，其间辅助以超声清洗，再依次用无水乙醇和去离子水清洗，最后用氮气枪吹干，得到最终的超晶格忆阻器样品。

实施例

以下参考附图所示的示意性的示例，进一步说明本发明。通过以下说明，本发明的各方面优点将更加明显。附图中相同的附图标记指代相同的部件。示意性附图中各部件的形状和尺寸仅用于示意，并不能被认为体现了实际的形状、尺寸和绝对的位置。

本实施例提供了一种HfO₂/Al₂O₃超晶格忆阻器，其结构示意图如图1所示，自下而上主要包括衬底1、第一电极2、超晶格忆阻器功能层3及第二电极6。具体步骤如下：

步骤1：制备第一电极2：

实施例选用TiN作为第一电极2，通过磁控溅射的方法，在单面抛光生长有SiO2的单晶硅衬底1上生长一层第一电极2。

步骤1-1：衬底1清洗：先使用丙酮在超声环境下清洗10分钟，再使用酒精在超声环境下清洗10分钟，用去离子水冲洗，最后使用氮气枪吹干；

步骤1-2：磁控溅射第一电极2：使用TiN靶，在150W的直流溅射功率下，0.5Pa的Ar气分为中溅射1200s生长100nm的TiN底电极。

步骤2：制备超晶格忆阻器功能层3：

实施例选用HfO₂/Al₂O₃超晶格材料，通过原子沉积过程中交替脉冲来得到超晶格结构的HfO₂/Al₂O₃功能层3，具体如图2所视：

在250℃条件下，首先沉积三个cycle的HfO₂层，然后再沉积一个cycle的Al₂O₃层，如此重复生长13次，在原子沉积过程中，每一个cycle会沉积1个原子层的材料，HfO₂层与Al₂O₃层原子会彼此成键结合，功能层3为在纵向长程有序的超晶格结构。

步骤3：制备第二电极6：

实施例选用Ti作为第二电极6，通过光刻工艺在功能层3上制备第二电极6图形，通过磁控溅射的方法生长Ti第二电极。

步骤3-1：光刻：通过光刻工艺在功能层3上制备第二电极6图形，其中光刻步骤包括匀胶、前烘、前曝、后烘、后曝、显影；

步骤3-2：溅射：实验使用金属Ti靶，在100W的溅射功率下，0.5Pa的Ar气氛围中溅射500s生长100nm第二电极；

步骤3-3：剥离：使用丙酮浸泡步骤3-2所制备出的薄膜样品，其间辅助以超声清洗，再依次用无水乙醇和去离子水清洗，最后用氮气枪吹干；得到最终的超晶格忆阻器样品。

值得说明的是，对于不同的氧离子迁移势垒的金属氧化物，技术人员都可以根据上述方法得到不同金属氧化物类型或结构的忆阻器单元，因此按照本发明实现的超晶格忆阻器不限于HfO₂/Al₂O₃超晶格忆阻器，依据相应的金属氧化物，使用相应的原子沉积工艺即可完成超晶格忆阻器的制备。

实施例测试

(一)对上述HfO₂/Al₂O₃超晶格忆阻器进行电学性能测试，具体步骤如下：

步骤a：对初始的单元进行初始化操作，将其第一电极2接地，第二电极6施加0V～3V的正向扫描电压，限制电流设为100μA,其目的是先形成连接上第一电极的导电通路，以便后续阻变过程的进行；

步骤b：对步骤a中初始化后的单元施加多次双向直流I/V电压扫描，电压扫描范围为-1.2～1.5V，限制电流设为200μA，得到10kΩ的低阻值，直流特性如图3所示，循环性能如图4(a)所示；

步骤c：调节限制电流50μA～2.2mA，步长为10μA，Reset电压为-1.4V，测得不同限流条件下的多值阻态，如图5(a)所示；

步骤d：调节Reset电压-0.85V～-1.47V，步长为0.01V，Set限流值为400μA，测得不同Reset电压下的多值阻态，如图5(b)所示。

(二)对上述实施例的忆阻器采用固定脉冲(pulse)测试得到的，这种测试为忆阻器脉冲神经网络的突触性能检测，其突触特性如图6所示。

对比例

本对比例制备了一种HfO₂忆阻器，自下而上主要包括衬底、第一电极、功能层及第二电极。具体步骤如下：

步骤1：制备第一电极：

实施例选用TiN作为第一电极，通过磁控溅射的方法，在单面抛光生长有SiO₂的单晶硅衬底上生长一层第一电极。

步骤1-1：衬底清洗：先使用丙酮在超声环境下清洗10分钟，再使用酒精在超声环境下清洗10分钟，用去离子水冲洗，最后使用氮气枪吹干；

步骤1-2：磁控溅射第一电极：使用TiN靶，在150W的直流溅射功率下，0.5Pa的Ar气分为中溅射1200s生长100nm的TiN底电极。

步骤2：制备功能层：

对比例选用HfO₂材料，使用原子沉积技术再第一电极上生长5nm HfO₂功能层材料，生长温度为220℃。

步骤3：制备第二电极：

实施例选用Ti作为第二电极，通过光刻工艺在功能层上制备第二电极图形，通过磁控溅射的方法生长Ti第二电极。

步骤3-1：光刻：通过光刻工艺在功能层上制备第二电极图形，其中光刻步骤包括匀胶、前烘、前曝、后烘、后曝、显影；

步骤3-3：剥离：使用丙酮浸泡步骤3-2所制备出的薄膜样品，其间辅助以超声清洗，再依次用无水乙醇和去离子水清洗，最后用氮气枪吹干；得到最终的忆阻器样品。

对比例测试

(一)对上述HfO忆阻器进行电学性能测试，具体步骤如下：

步骤a：对初始的单元进行初始化操作，将其第一电极接地，第二电极施加0V～3V的正向扫描电压，限制电流设为100μA,其目的是先形成连接上第一电极的导电通路，以便后续阻变过程的进行；

步骤b：对步骤a中初始化后的单元施加多次双向直流I/V电压扫描，电压扫描范围为-1～1V，限制电流设为200μA，得到10kΩ的低阻值，直流特性如图3所示，循环性能如图4(b)所示；

步骤c：调节限制电流10μA～200μA，步长为10μA，Reset电压为-1V，测得不同限流条件下的多值阻态，如图5(c)所示；

步骤d：调节Reset电压-0.7V～-1.25V，步长为0.01V，Set限流值为150μA，测得不同Reset电压下的多值阻态，如图5(d)所示。

通过实施例说明超晶格忆阻器中超晶格忆阻器功能层可以通过原子层沉积过程中交替使用不同的沉积脉冲制得，同时可以体现出一定的电学性能。

如图3，通过对比实施例与对比例的直流特性，可以表明：HfO₂/Al₂O₃超晶格忆阻器相较于HfO₂忆阻器，其Set和Reset过程均为缓变，而且其低阻态阻值相对更高，有更低的功耗。这一结果成功验证了超晶格忆阻器具有更低功耗的优势以及有电导连续可调的潜力。图3中HfAlO_x SL是指HfO₂/Al₂O₃超晶格忆阻器，HfO₂是指HfO₂忆阻器。

如图4，通过对比实施例与对比例的循环性能，可以表明：超晶格忆阻器有更好的一致性，其100次直流循环的一致性要明显好于HfO2忆阻器的20次直流循环。HfO₂/Al₂O₃超晶格忆阻器可以实现阻值缓变，而不是像HfO2忆阻器的跳变，具有导电细丝通断的调制效果。图4中HfAlO_x SL是指HfO₂/Al₂O₃超晶格忆阻器，HfO₂是指HfO₂忆阻器。

如图5，通过对比实施例与对比例的在不同限流电压和不同reset电压下的直流特性，可以表明：超晶格忆阻器具有更好的缓变特性，中间阻态多且阻态清晰。成功验证了HfO₂/Al₂O₃超晶格忆阻器具有相较于HfO₂忆阻器更好的电导连续可调节性，更有应用于神经形态计算的潜力。图5中HfAlO_x SL是指HfO₂/Al₂O₃超晶格忆阻器，HfO₂是指HfO₂忆阻器。

如图6，根据实施例的固定脉冲图，可以看出图中超晶格忆阻器在相同正向电压的脉冲激励下逐渐由高阻态向低阻态变化；在负向相同电压的脉冲激励下由低阻态向高阻态变化。在正向脉冲下，随着脉冲个数的不断增加(随时间增加)，忆阻器的电导逐渐增大，电导的变化呈现连续可调且接近线性的上升趋势；在负向脉冲下，随着脉冲个数的不断增加(随时间增加)，忆阻器的电导逐渐减小，电导的变化呈现连续可调且接近线性的下降趋势。证明超晶格忆阻器的阻值具有线性连续可调的特性，满足神经网络计算对于突触器件的特性要求。

Claims

1.一种超晶格忆阻器功能层材料，其特征在于，所述功能层材料至少由第一金属氧化物层和第二金属氧化物层交替堆垛在第一平面方向形成层叠结构；

其中，所述第一金属氧化物层的氧离子迁移势垒不同于所述第二金属氧化物层的氧离子迁移势垒，以使在所述第一、第二金属氧化物层之间垂直于第一平面方向的取向形成电接触；

其中，所述电接触包括氧离子在第一激励作用下在所述第一、第二金属氧化物层间迁移，在撤销激励或受第二激励作用下因不同的氧离子迁移势垒的限制而无法迁移回，以使所述功能层材料呈现非易失性阻态。

2.根据权利要求1所述的超晶格忆阻器功能层材料，其特征在于，所述第一、第二金属氧化物层的材料包括二元金属氧化物，其中所述金属包括Hf、Al、Ti、Ta、Cu、W、Ni、Zn、Zr、Fe、Mn和Nb中一种或几种。

3.一种具备如权利要求1或2所述的超晶格忆阻器功能层的忆阻器单元，其特征在于，所述超晶格忆阻器功能层位于第一电极和第二电极之间。

4.根据权利要求3所述的忆阻器单元，其特征在于，所述超晶格忆阻器功能层的厚度为5～10nm。

5.根据权利要求3所述的忆阻器单元，其特征在于，所述超晶格忆阻器功能层中，所述第一金属氧化物层的厚度为2～15个原子层，所述第二金属氧化物层的厚度为1～3个原子层。

6.根据权利要求3所述的忆阻器单元，其特征在于，所述第一电极由TiN、TaN、Pt、Au、Pd、Ir中至少一种材料制备，且其厚度为20～200nm。

7.根据权利要求3所述的忆阻器单元，其特征在于，所述第二电极由Ti、Ta、Hf、Al中至少一种材料制备，且其厚度为20～200nm。

8.一种如权利要求3～7中任一项所述的忆阻器单元的调制方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的调制方法，其特征在于，所述第一、第二电极之间电接触的通断可实现所述忆阻器单元高低阻态之间的切换。

10.一种忆阻器单元的制备方法，其特征在于，包括：

提供衬底，在所述衬底表面沉积第一电极；

在所述超晶格忆阻器功能层表面沉积第二电极；

所述第一、第二金属氧化物层的材料包括二元金属氧化物，其中所述金属包括Hf、Al、Ti、Ta、Cu、W、Ni、Zn、Zr、Fe、Mn和Nb中一种或几种。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，包括以原子层沉积方法所述第一电极表面交替沉积第一、第二金属氧化物层。

12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述第一金属氧化物层的厚度为2～15个原子层，所述第二金属氧化物层的厚度为1～3个原子层，所述超晶格忆阻器功能层的厚度为5～10nm。

13.根据权利要求10所述的忆阻器的制备方法，其特征在于，在所述第一电极表面交替沉积第一、第二金属氧化物层的温度为200～300℃。

14.一种超晶格忆阻器，包括权利要求3-9任一项所述的具备超晶格忆阻器功能层的忆阻器单元。