CN111525027B - 一种利用光信号可逆调控忆阻器电导的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用光信号可逆调控忆阻器电导的方法，所述忆阻器包括底电极层、顶电极层以及位于两者之间的中间介质层，所述方法为通过底电极层或顶电极层输入光信号，所述方法包括提高忆阻器电导的光写入模式和降低忆阻器电导的光擦除模式；在光写入模式下，光信号为紫外光、可见光或红外光；在光擦除模式下，光信号为可见光或红外光。本发明在全光模式下成功模拟了生物突触的脉冲时间依赖可塑性。相比传统电信号调控，光信号具有超高的速度和极好的并行性，利用全光信号对忆阻器电导进行连续可逆调节，可以很好地将光子学和电子学的优势结合在一起。本发明提供的忆阻器调控方法在光电计算和人工视觉领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种利用光信号可逆调控忆阻器电导的方法。
背景技术
忆阻器(memristor)是除电阻器、电容器、电感器之外的第四种基本无源电子器件。蔡少棠最早于1970年代在研究电荷、电流、电压和磁通量之间关系时推断出这种元件的存在，并指出它代表着电荷和磁通量之间的关联。2008年，来自惠普实验室的研究人员制备了单一电子器件中实现忆阻行为的模型，引起了人们的广泛关注。忆阻器通常由夹在两个电极之间的绝缘体或半导体薄膜组成，它的电导可以通过施加电信号进行调控，实现连续的增加或减小，并且可以保持变化后的电导，这一独特的性能使其在新型存算一体架构领域或神经形态计算中表现出了广阔的应用前景。众所周知，相比于电信号，光信号具有超高的速度和极好的并行性，利用光对忆阻器电导进行调节，可以将光子学和电子学的优势结合，为忆阻器在光电计算和人工视觉领域开辟新的应用前景。
近几年，一些研究人员试图用光信号替代电信号对忆阻器的电导进行调控。目前报道的光控忆阻器主要有两种实施方案。一、基于电子行为的忆阻器可以利用半导体材料中普遍存在的持续光电导效应(半导体吸收光子能量而产生的光电导随时间缓慢衰减的现象)来增加器件电导。然而，器件电导的降低必须通过电信号刺激才能实现。二、基于导电细丝型忆阻器中导电通道在光照下会发生衰减，以此来降低器件电导，但是导电细丝的连接须利用电信号才能完成。此外，光机械开关效应也可以用来调节忆阻器电导，然而其必须以牺牲器件严重的膨胀或收缩作为代价。到目前为止，只利用光信号来实现忆阻器电导的可逆调节，还没有实现。
公开号为CN106981567A和CN109449289A的专利说明书分别公开了一种光控忆阻器，采用了光写入和电擦除的工作模式，也就是说利用光信号来增加忆阻器电导，利用电信号降低电导。这种光电耦合式的忆阻器在电导的可逆调控中并不能摆脱对电信号的依赖，从而大大限制了忆阻器在光电计算和人工视觉领域的应用前景。
发明内容
针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种利用光信号可逆调控忆阻器电导的方法，首次实现了利用光信号对忆阻器电导进行可逆调控。
一种利用光信号可逆调控忆阻器电导的方法，所述忆阻器包括底电极层、顶电极层以及位于两者之间的中间介质层，所述方法为通过所述底电极层或顶电极层输入光信号，所述方法包括提高所述忆阻器电导的光写入模式和降低所述忆阻器电导的光擦除模式；
在所述光写入模式下，所述光信号为紫外光、可见光或红外光；
在所述光擦除模式下，所述光信号为可见光或红外光。
本发明仅仅施加光照就可以对忆阻器的电导进行可逆调控，利用光照既可以使忆阻器的电导增大，也可以使其电导降低。光写入和光擦除模式下，光照停止后，忆阻器电导仍具有良好的可保持特性。该忆阻器的调控方法可以在光电计算和人工视觉中得到应用。
所述忆阻器还可以包括衬底，采用镀膜工艺在衬底上依次形成底电极层、中间介质层和顶电极层，所述镀膜工艺包括热蒸发、磁控溅射、溶胶凝胶、化学气相沉积或涂敷法，可以根据底电极层和中间介质层的材质选择合适的镀膜方法。
所述衬底为绝缘衬底、半导体衬底或导电衬底。其中，所述绝缘衬底为热氧化硅片、玻璃、陶瓷或塑料；所述半导体衬底包括硅、氧化物半导体或氮化物半导体；所述导电衬底包括金属或石墨。
考虑到与现有CMOS工艺兼容性以及在集成电子领域的应用，作为优选，所述衬底采用硅基衬底；进一步优选，所述衬底采用热氧化硅片。
作为优选，所述底电极层的材料为金属、导电氧化物、导电氮化物、导电碳材料中的一种或多种组合。进一步优选，所述底电极层的材料为金属，如金、铂、钨、铜、银、铝、钛、镍、锌、锡、锰、铁等中的一种或多种组合。再进一步优选，所述底电极层的材料为铂。
作为优选，所述底电极层的厚度为1～500nm，进一步优选为175nm。
作为优选，所述中间介质层由氧化物组成。
进一步优选，所述中间介质层的材料为氧化锌、氧化锆、氧化铪、氧化硅、氧化钽、氧化钛、氧化铝、氧化镍、氧化钨、氧化锡、氧化铟、氧化铟锡、氧化铟镓锌、氧化铟镓镉中的一种或多种组合。再进一步优选，所述中间介质层的材料为氧化铟镓锌。
作为优选，所述中间介质层的厚度为1～500nm，进一步优选为60nm。
作为优选，所述顶电极层的材料为金属、导电氧化物、导电氮化物、导电碳材料中的一种或多种组合。进一步优选，所述顶电极层的材料为金属，如金、铂、钨、铜、银、铝、钛、镍、锌、锡、锰、铁等中的一种或多种组合。再进一步优选，所述底电极层的材料为金。
作为优选，所述顶电极层的厚度为1～200nm，进一步优选为10nm。
作为优选，在所述光写入模式下，所述光信号为蓝光，波长为400～480nm。
作为优选，在所述光擦除模式下，所述光信号为红外光，波长为800～1000nm；
本发明利用上述方案制备的忆阻器，设计了一种忆阻器电导的调控方法：采用不同的光信号实现忆阻器电导值的可逆调控；使忆阻器电导增大的光照是紫外光、可见光或红外光；使忆阻器电导降低的光照可以是可见光或红外光。
作为优选，本发明采用蓝光增加器件电导，红外光用于降低电导。电导调控的主要机制在于氧化物中存在丰富的氧空位缺陷，其可以在蓝光照下发生电离生成带电氧空位和自由电子，提高器件的导电性，器件内部存在的内建电场可以将产生的光生自由电子输运走，使得电离的氧空位无法同电子复合，从而产生了持续光电导现象，其持续时间长达104s。随后采用红外光照射可以使得势阱中电子发生遂穿或跃迁，使得电离的氧空位重新发生复合，进而降低器件电导，使得忆阻器件表现出了可逆的电导调控。
本发明还提供了上述调控方法在光电计算和人工视觉中的应用。该器件在光信号作用下表现出很好的电导可调控性，进而实现了生物突触的可塑性模拟。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
(1)相比纯光学计算，基于此忆阻器调控方法的光电计算，因为所采用的忆阻器结构简单，具有优异的可扩展性和与现代互补金属氧化物半导体技术的高度兼容性，使其更具有实际应用价值。
(2)考虑到生物视觉系统中光引起的兴奋性和抑制性突触行为是必不可少的，因此，相比传统光电耦合式忆阻器，该忆阻器件的调控方法和生物突触的工作模式有着更高的相似性，也使其在人工视觉领域中具有更广阔的应用前景。
(3)传统电控忆阻器的调控方法，由于电场或焦耳热引起的微观结构的变化，例如离子或原子迁移，会导致器件性能发生较大波动。考虑到本工作中用于操作该忆阻器的光功率密度很低，光照不会引起微结构变化。因此，该忆阻器的调控方法是提高器件稳定性和可靠性的一种很有价值的方法。
附图说明
图1为本发明忆阻器的结构示意图，图中：1-顶电极层，2-中间介质层，3-底电极层，4-衬底；
图2为实施例1制备的忆阻器分别在黑暗中和420nm蓝光光照15s后的电流-电压特性曲线(步长：10mV)；其中包括置位过程和复位过程；
图3为实施例1制备的忆阻器的电导增强的光电响应，其中光信号采用了420～1000nm的光，光功率密度均为20μW/cm2；
图4为实施例1制备的忆阻器高电导态下电导降低的光电响应，其中光信号采用了800nm的红外光，光功率密度均为20μW/cm2；
图5为实施例1制备的忆阻器在光信号刺激下实现电导态连续的可逆调控；其中电导值连续增加是采用了100个420nm的蓝光脉冲，光功率密度为20μW/cm2；其中电导值连续降低是采用了100个800nm的红外光脉冲，光功率密度为24μW/cm2；蓝光脉冲和红外光脉冲的脉冲宽度均为1s，脉冲间隔均为1s；
图6为实施例1制备的忆阻器在光信号刺激下实现生物突触的脉冲时间依赖可塑性模拟；利用单个420nm的蓝光脉冲作为突触前刺激，利用10个800nm的红外光脉冲作为突触后刺激；蓝光脉冲的宽度为1s，功率密度为20μW/cm2；红外光宽度为1s，脉冲间隔为1s，功率密度为24μW/cm2；
图7为实施例2制备的忆阻器分别在黑暗中和420nm蓝光光照15s后的电流-电压特性曲线(步长：10mV)；其中包括置位过程和复位过程；
图8为实施例2制备的忆阻器的电导增强的光电响应，其中光信号采用了420～1000nm的光，光功率密度为20μW/cm2；
图9为实施例2制备的忆阻器高电导态下电导降低的光电响应，其中光信号采用了800nm的红外光，光功率密度为20μW/cm2；
图10为实施例2制备的忆阻器在光信号刺激下实现电导态连续的可逆调控；其中电导值连续增加是采用了100个420nm的蓝光脉冲，光功率密度为20μW/cm2；其中电导值连续降低是采用了100个800nm的红外光脉冲，光功率密度为20μW/cm2；蓝光脉冲和红外光脉冲的宽度均为1s，脉冲间隔均为1s。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
本发明忆阻器结构如图1所示，自下而上依次为衬底4、底电极层3、中间介质层2和顶电极层1。下述各实施例中光信号均通过顶电极层1输入。
实施例1
一种忆阻器，包括依次在衬底上形成底电极层、中间介质层和顶电极层，所述中间介质层由氧化物层组成。本实施例的衬底为热氧化硅片，底电极层材料采用铂，其厚度为175nm；氧化物层材料采用氧化铟镓锌(IGZO)，其厚度为60nm；顶电极层材料采用金，其厚度为10nm。
本实施例的忆阻器的制备方法如下：
(1)利用电子束蒸发在衬底表面制备6nm厚的钛薄膜作为缓冲层，主要作用是增大铂薄膜与热氧化硅片的机械结合力，防止薄膜脱落。
上述衬底为热氧化硅片，即利用热氧化的方法在单晶硅片上形成一层二氧化硅层，然后以热氧化硅片作为制备本实施例的忆阻器的绝缘衬底。钛薄膜形成于热氧化硅片长有二氧化硅层的一面。
利用电子束蒸发在钛薄膜上制备175nm厚的铂薄膜作为底电极层。
(2)采用磁控溅射结合掩膜板的方法在底电极层上制备IGZO薄膜。
溅射参数如下：
以IGZO作为溅射靶材，其中富氧IGZO以高纯氩气和高纯氧气作为溅射气氛，缺氧IGZO是以高纯氩气反应气氛。衬底温度为室温，制备IGZO薄膜，溅射功率为20～100W，温度为20～50℃，时间为1～120min。
(3)利用电子束蒸发结合掩膜板的方法在(2)中制备的IGZO薄膜上制作由金制成的顶电极层，顶电极金层厚度为10nm。
本实施例制备的忆阻器的结构示意图如图1所示，忆阻器从下至上依次包括衬底、底电极层、氧化物层和顶电极层，光照通过顶电极输入。其中衬底为热氧化硅片；衬底和底电极层之间还包括由6nm厚的钛薄膜组成的缓冲层，缓冲层同时与底电极层和热氧化硅片的热氧化层接触；底电极层为100nm厚的铂薄膜；氧化物层包括富氧IGZO层和缺氧IGZO层，总厚度为60nm；顶电极层为金薄膜，厚度为10nm。
对本实施例制备的忆阻器进行电学测试，其在黑暗中和光照后的电流-电压特性曲线如图2所示，底电极接地，电压施加在顶电极，光照通过顶电极输入，电流-电压特性曲线图包含了置位过程和复位过程，可以看到器件在直流电压扫描下实现了电阻的转变。图3为本实施例制备忆阻器在420～1000nm光照射下电导连续增加的光电响应，光照撤除后器件电导表现出优良的非易失性。图4为本实施例制备忆阻器在红外光照射下电导连续降低的光电响应。图5为本实施例制备忆阻器在不同波长光脉冲作用下实现电导的可逆调控，其中包括在蓝光脉冲下的连续增加和在红外光脉冲下连续降低两个过程。图6为利用这种忆阻器调控方法实现生物突触的脉冲时间依赖可塑性模拟。
实施例2
与实施例1的区别在于顶电极层为磁控溅射生长的掺锡的氧化铟(ITO)，以ITO作为溅射靶材，以氩气作为溅射气氛，衬底温度为室温，溅射功率为20～100W，温度为20～50℃，时间为1～120min。ITO薄膜厚度为30nm，IGZO厚度为60nm。
图7为制备忆阻器在黑暗和光照后的电流-电压特性曲线图，包含了置位过程和复位过程，可以看到器件在直流电压扫描下实现了电阻的转变。图8为本实施例制备忆阻器在420～1000nm光照射下电导连续增加的光电响应，光照撤除后器件电导表现出优良的非易失性。图9为本实施例制备忆阻器在红外光照射下电导连续降低的光电响应。图10为本实施例制备忆阻器在不同波长光脉冲照射下电导的连续可逆调控，其中包括蓝光脉冲作用下的连续增加和红外光脉冲下的连续降低两个过程。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (6)
1.一种利用光信号可逆调控忆阻器电导的方法，所述忆阻器包括依次在衬底上形成的底电极层、中间介质层和顶电极层，所述方法为通过所述底电极层或顶电极层输入光信号，其特征在于，所述中间介质层由氧化物组成，包括富氧氧化物层和缺氧氧化物层；
所述方法包括提高所述忆阻器电导的光写入模式和降低所述忆阻器电导的光擦除模式；
在所述光写入模式下，所述光信号为紫外光、可见光或红外光；
在所述光擦除模式下，所述光信号为可见光或红外光。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述底电极层的材料为金属、导电氧化物、导电氮化物、导电碳材料中的一种或多种组合；
所述底电极层的厚度为1~500 nm。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中间介质层的厚度为1~500 nm。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述中间介质层的材料为氧化锌、氧化锆、氧化铪、氧化硅、氧化钽、氧化钛、氧化铝、氧化镍、氧化钨、氧化锡、氧化铟、氧化铟锡、氧化铟镓锌、氧化铟镓镉中的一种或多种组合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述顶电极层的材料为金属、导电氧化物、导电氮化物、导电碳材料中的一种或多种组合；
所述顶电极层的厚度为1~200 nm。
6. 根据权利要求1~5任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述光写入模式下，所述光信号为蓝光，波长为400~480 nm；
在所述光擦除模式下，所述光信号为红外光，波长为800~1000 nm。
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Families Citing this family (2)
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|---|---|---|---|---|
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103346257A (zh) * | 2013-07-09 | 2013-10-09 | 中山大学 | 一种金属氧化物电阻存储单元及其低温光化学制备方法 |
| CN103730573A (zh) * | 2014-01-15 | 2014-04-16 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种光电多功能结构单元、其制备方法与应用 |
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| CN106981567A (zh) * | 2017-03-20 | 2017-07-25 | 华中科技大学 | 一种基于光电耦合忆阻器的人工突触器件及其调制方法 |
| CN107579155A (zh) * | 2017-09-12 | 2018-01-12 | 电子科技大学 | 基于a‑Si的光读取神经突触器件结构及其制备方法 |
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103346257A (zh) * | 2013-07-09 | 2013-10-09 | 中山大学 | 一种金属氧化物电阻存储单元及其低温光化学制备方法 |
| CN103730573A (zh) * | 2014-01-15 | 2014-04-16 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种光电多功能结构单元、其制备方法与应用 |
| CN105322091A (zh) * | 2015-12-09 | 2016-02-10 | 中国科学院物理研究所 | 一种光写入阻变存储单元及其制备、操作方法和应用 |
| CN106981567A (zh) * | 2017-03-20 | 2017-07-25 | 华中科技大学 | 一种基于光电耦合忆阻器的人工突触器件及其调制方法 |
| CN107579155A (zh) * | 2017-09-12 | 2018-01-12 | 电子科技大学 | 基于a‑Si的光读取神经突触器件结构及其制备方法 |
| CN109449289A (zh) * | 2018-11-01 | 2019-03-08 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种光激励的神经突触仿生忆阻器及其制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Light sensitive memristor with bi-directional and wavelength-dependent conductance control;Maier, P et al.;《APPLIED PHYSICS LETTERS》;20160711;第2页和图4 * |
| Optically writable and erasable memory in semi-insulating GaAs;Toru Hirohata et al.;《Japanese Journal of Applied Physics》;19911231;第3421页 * |
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