CN111900250A - 一种基于二维过渡金属材料的忆阻器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种基于二维过渡金属材料的忆阻器及其制备方法，忆阻器的结构包括由下至上按序依次层叠设置的硅衬底、底电极层以及顶电极层，在所述底电极层与所述顶电极层二者之间设置有阻变层且二者通过所述阻变层实现分隔；所述阻变层的材质为碳化钒。本发明丰富了二维过渡金属材料忆阻器的种类，对类脑器件模拟神经元以及神经突触的相关研究起到了很大的推动作用。
Description
技术领域
本发明为一种新型类脑器件及其相对应的制备方法，具体涉及一种基于新型二维过渡金属碳化物——碳化钒的忆阻器及其制备方法，属于类脑器件加工技术领域。
背景技术
人类大脑作为一种优秀的信息存储和处理系统，具有很好的记忆、学习和识别能力。随着人工智能神经网络技术的发展，近年来，有越来越多的人开始研究模拟人脑的计算系统。
由人工神经元和记忆突触组成的神经网络系统可以提供比冯-诺伊曼架构的传统硬件更好的性能，并能够以更有效的方法来实现不同类型的神经网络算法。然而，现有技术中对突触进行模拟的方案往往需要使用大量诸如晶体管之类的传统电路元件，因而现有技术所能生产出的人工神经网络的中神经元的数量远远小于人脑中的神经元的数量，很难实现对人脑的功能的有效模拟。
忆阻器，全称记忆电阻器(Memristor)，是一种表示磁通与电荷关系的双端非线性元件。忆阻具有电阻的量纲，但和电阻不同的是，忆阻的阻值是由流经它的电荷确定。因此，通过测定忆阻的阻值，便可知道流经它的电荷量，从而实现记忆电荷的作用。忆阻器凭借其低功耗、阻态连续可调、高集成度与CMOS工艺兼容等优点，在人工智能神经网络中模拟人脑计算系统时，被认为是一种理想化的模拟突触权重的模型。
但是在现阶段的忆阻器制造过程中，受到产品结构及加工材料的限制，很难实现一种稳定的多阻态、非易失性的忆阻器，也正因如此，如何基于上述研究现状，提出一种全新的忆阻器结构及其相应的制备方法，以克服现有技术中所存在的不足，也就成为了本领域内技术人员所共同关注的问题。
发明内容
鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种基于新型二维过渡金属碳化物——碳化钒的忆阻器及其制备方法，具体如下。
一种基于二维过渡金属材料的忆阻器，包括由下至上按序依次层叠设置的硅衬底、底电极层以及顶电极层，在所述底电极层与所述顶电极层二者之间设置有阻变层且二者通过所述阻变层实现分隔；所述阻变层的材质为碳化钒。
优选地，所述硅衬底的尺寸为1.5英寸~2英寸、厚度为300μm~400μm。
优选地，所述底电极层的材质为钨、厚度为70nm~100nm。
优选地，所述顶电极层为形成于所述阻变层上方的多块正方形区域，每块所述正方形区域间相互隔开，所述顶电极层的材质为银、整体厚度为80nm~120nm。
一种忆阻器的制备方法，用于制备如上所述的基于二维过渡金属材料的忆阻器，包括如下步骤：
S1、取一块硅衬底，在所述硅衬底上进行镀膜加工，在所述硅衬底上形成一层厚度为70nm~100nm的底电极层；
S2、配制0.5ml~1ml的阻变层溶液，将配制好的所述阻变层溶液超声振动1.5h~2.5h，使所述阻变层溶液混合均匀，随后将所述阻变层溶液均匀地滴涂在所述底电极层上，再将滴涂后的器件整体放置于烘干机内，60℃~80℃环境下烘烤30min~50min，在所述底电极层上形成一层阻变层；
S3、将掩模板贴覆于所述阻变层上，再将器件整体放入磁控溅射腔体内进行镀膜加工，在所述阻变层上形成一层整体厚度为80nm~120nm的顶电极层。
优选地，S2中所述阻变层溶液由碳化钒与去离子水混合配制而成，所述碳化钒与所述去离子水二者的质量比为2：25。
优选地，包括如下步骤：
S1、取一块经过紫外光照射、尺寸为2英寸、厚度为350μm的硅衬底，利用物理气相沉积法在所述硅衬底上进行镀膜加工，在所述硅衬底上形成一层材质为钨、厚度为80nm的底电极层；
S2、配制0.5ml的阻变层溶液，将配制好的所述阻变层溶液超声振动2h，使所述阻变层溶液混合均匀，随后将所述阻变层溶液均匀地滴涂在所述底电极层上，再将滴涂后的器件整体放置于烘干机内，70℃环境下烘烤40min，在所述底电极层上形成一层阻变层；
S3、将掩模板贴覆于所述阻变层上，再将器件整体放入磁控溅射腔体内进行镀膜加工，在所述阻变层上形成一层材质为银、整体厚度为100nm的顶电极层；所述顶电极层为形成于所述阻变层上方的多块尺寸为200μm*200μm的正方形区域，每块所述正方形区域间相互隔开。
与现有技术相比，本发明的优点主要体现在以下几个方面：
本发明所提出的一种基于二维过渡金属材料的忆阻器，创造性的引入了新型二维过渡金属碳化——碳化钒作为忆阻器的阻变层材料，通过其在外加电压下可以形成快速、稳定的导电通道的性质，实现了器件阻值的变化，进而完成了器件的开闭。在脉冲的刺激下，本发明的器件还表现出了突触可塑性，可以有效地模拟突触间的信息传递、实现类脑特性。
同时，本发明所提出的一种基于二维过渡金属材料的忆阻器，能够保持稳定的开关特性和高重复性，I-V特性表现为正开负关性质，相较于传统存储器RRAM器件工作电压更低、稳定性更强。
此外，本发明的制备方法流程清晰、步骤简单、可重复性强，制备过程中的成本投入低，单一器件的成品率高，具有十分广阔的应用前景和极高的使用价值。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的测试过程示意图；
图3为本发明测试结果的直流I-V特性曲线图；
图4为本发明在开态和关态时阻值的保持时间示意图；
其中：1、硅衬底；2、底电极层；3、阻变层；4、顶电极层。
具体实施方式
本发明揭示了一种全新结构的忆阻器及其制备方法，本发明的核心在于如何将碳化钒应用于忆阻器的阻变层中，制作出银电极/碳化钒/钨电极的器件结构，以此来实现一种稳定的多阻态、非易失性的忆阻器结构。同时，碳化钒作为一种新型二维过渡金属材料，本范明也进一步扩展了二维材料在忆阻器中的应用，由此加工而获得的具有非易失性的类脑忆阻器，对生物突触的模拟有着重要推进作用。本发明的具体方案如下。
如图1所示，一种基于二维过渡金属材料的忆阻器，包括由下至上按序依次层叠设置的硅衬底1、底电极层2以及顶电极层4，在所述底电极层2与所述顶电极层4二者之间设置有阻变层3且二者通过所述阻变层3实现分隔。所述阻变层3的材质为碳化钒。
所述硅衬底1的尺寸为1.5英寸~2英寸、厚度为300μm~400μm。
所述底电极层2的材质为钨、厚度为70nm~100nm。
所述顶电极层4为形成于所述阻变层3上方的多块正方形区域，每块所述正方形区域间相互隔开，所述顶电极层4的材质为银、整体厚度为80nm~120nm。
一种忆阻器的制备方法，用于制备如上所述的基于二维过渡金属材料的忆阻器，包括如下步骤：
S1、取一块硅衬底1，在所述硅衬底1上进行镀膜加工，在所述硅衬底1上形成一层厚度为70nm~100nm的底电极层2；
S2、配制0.5ml~1ml的阻变层溶液，将配制好的所述阻变层溶液超声振动1.5h~2.5h，使所述阻变层溶液混合均匀，随后将所述阻变层溶液均匀地滴涂在所述底电极层2上，再将滴涂后的器件整体放置于烘干机内，60℃~80℃环境下烘烤30min~50min，在所述底电极层2上形成一层阻变层3；
S3、将掩模板贴覆于所述阻变层3上，再将器件整体放入磁控溅射腔体内进行镀膜加工，在所述阻变层3上形成一层整体厚度为80nm~120nm的顶电极层4。
需要说明的是，S2中所述阻变层溶液由碳化钒与去离子水混合配制而成，所述碳化钒与所述去离子水二者的质量比为2：25。
以下对本发明方案中的一种具体实施方式进行描述，在该实施例中，所述的忆阻器的制备方法包括如下步骤：
S1、取一块经过紫外光照射、尺寸为2英寸、厚度为350μm的硅衬底1，利用物理气相沉积（PVD）法在所述硅衬底1上进行镀膜加工，在所述硅衬底1上形成一层材质为钨、厚度为80nm的底电极层2；
S2、配制0.5ml的阻变层溶液，将配制好的所述阻变层溶液超声振动2h，使所述阻变层溶液混合均匀，随后将所述阻变层溶液均匀地滴涂在所述底电极层2上，再将滴涂后的器件整体放置于烘干机内，70℃环境下烘烤40min，在所述底电极层2上形成一层阻变层3；
S3、将掩模板贴覆于所述阻变层3上，再将器件整体放入磁控溅射腔体内进行镀膜加工，在所述阻变层3上形成一层材质为银、整体厚度为100nm的顶电极层4；所述顶电极层4为形成于所述阻变层3上方的多块尺寸为200μm*200μm的正方形区域，每块所述正方形区域间相互隔开。
可以说，本发明的制备方法流程清晰、步骤简单、可重复性强，制备过程中的成本投入低，单一器件的成品率可高达80%以上，具有十分广阔的应用前景和极高的使用价值。
以下结合对上述实施例中所制备的单个忆阻器器件的测试过程，对本发明方案的使用效果进行描述。
器件测试过程如图2所示，所述底电极层2接地，所述顶电极层4施加正电压。在反复的测试过程中，可找到该器件的合适的工作电压，输入直流的扫描电压，从0扫到6.5V，再从6.5V扫到-7V，最后从-7V扫到0V，实时测出扫描电压对应的电流大小。
图3是图2的测试结果的直流I-V特性曲线图。当顶电极施加0V到6.5V再到0V的扫描电压过程，扫描步长设为0.05V，随着扫描电压的逐渐增大，该忆阻器有低电导逐渐向高电导增大，但是此时忆阻器仍处于低电导的状态；接着，在6V左右，通过忆阻器两端的电流有一个突剧的上升，该忆阻器的电导急剧升高到一个较高的值，为了防止忆阻器被击穿，此处设置了一个限流，当忆阻器到达限流后，此时忆阻器处于高电导的状态。在6.5V~0V的回扫过程，忆阻器一直保持在一个较高的电导态。此处通常把忆阻器从低电导变化到高电导的过程称为忆阻器的打开过程。此时忆阻器的电阻处于一个很低的阻态，这是因为忆阻器在正向电压的刺激下，在活性层中形成了较为稳固的导电通道，导电通道会保持在一定的时间，所以该忆阻器在高电导状态保持一定时间。在反向扫描的过程中，此处设置0到-7V再到0V的负向扫描电压，在0V~-6V的过程中，忆阻器仍保持在一个高电导的状态，在-6V左右忆阻器从高电导状态突剧下降到低电导状态，这一过程此处称为忆阻器的关闭过程。在-7V~0V的负向扫描过程中，忆阻器保持在低电导状态。在反复扫描电压测试器件的过程中，此处发现器件的阻态具有很好的重复性和稳定性，具有一定的类脑特性。
图四表示的是为忆阻器分别在开态和关态时阻值的保持时间，下方曲线为器件在打开状态，阻值保持在相对较低的值——105欧姆并十分稳定，保持时间约为4000秒，上方曲线为器件在关闭状态，阻值保持较高的值——109欧姆并十分稳定，保持时间约为4000秒，计算器件的开关比为104。由此也可以看出本器件中，导电细丝在阻变层3中的保持较为稳固，具有非易失性，所以称为类脑特性的忆阻器。同时新型的二维金属碳化物-碳化钒首次应用到忆阻器中，这种新型材料结构器件也具有良好的类脑特性。
综上所述，本发明所提出的一种基于二维过渡金属材料的忆阻器，创造性的引入了新型二维过渡金属碳化——碳化钒作为忆阻器的阻变层材料，通过其在外加电压下可以形成快速、稳定的导电通道的性质，实现了器件阻值的变化，进而完成了器件的开闭。在脉冲的刺激下，本发明的器件还表现出了突触可塑性，可以有效地模拟突触间的信息传递、实现类脑特性。本发明的方案中所实现的高开关比性能对于实现存算一体构架的计算单元具有很强的借鉴意义。
同时，本发明所提出的一种基于二维过渡金属材料的忆阻器，能够保持稳定的开关特性和高重复性，I-V特性表现为正开负关性质，相较于传统存储器RRAM器件工作电压更低、稳定性更强。
与现有的大多数非易失性忆阻器相比，本发明丰富了二维过渡金属材料忆阻器的种类，对类脑器件模拟神经元以及神经突触的相关研究起到了很大的推动作用。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
最后，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种基于二维过渡金属材料的忆阻器，其特征在于：包括由下至上按序依次层叠设置的硅衬底（1）、底电极层（2）以及顶电极层（4），在所述底电极层（2）与所述顶电极层（4）二者之间设置有阻变层（3）且二者通过所述阻变层（3）实现分隔；所述阻变层（3）的材质为碳化钒。
2.根据权利要求1所述的基于二维过渡金属材料的忆阻器，其特征在于：所述硅衬底（1）的尺寸为1.5英寸~2英寸、厚度为300μm~400μm。
3.根据权利要求1所述的基于二维过渡金属材料的忆阻器，其特征在于：所述底电极层（2）的材质为钨、厚度为70nm~100nm。
4.根据权利要求1所述的基于二维过渡金属材料的忆阻器，其特征在于：所述顶电极层（4）为形成于所述阻变层（3）上方的多块正方形区域，每块所述正方形区域间相互隔开，所述顶电极层（4）的材质为银、整体厚度为80nm~120nm。
5.一种忆阻器的制备方法，用于制备如权利要求1~4任一所述的基于二维过渡金属材料的忆阻器，其特征在于，包括如下步骤：
S1、取一块硅衬底（1），在所述硅衬底（1）上进行镀膜加工，在所述硅衬底（1）上形成一层厚度为70nm~100nm的底电极层（2）；
S2、配制0.5ml~1ml的阻变层溶液，将配制好的所述阻变层溶液超声振动1.5h~2.5h，使所述阻变层溶液混合均匀，随后将所述阻变层溶液均匀地滴涂在所述底电极层（2）上，再将滴涂后的器件整体放置于烘干机内，60℃~80℃环境下烘烤30min~50min，在所述底电极层（2）上形成一层阻变层（3）；
S3、将掩模板贴覆于所述阻变层（3）上，再将器件整体放入磁控溅射腔体内进行镀膜加工，在所述阻变层（3）上形成一层整体厚度为80nm~120nm的顶电极层（4）。
6.根据权利要求5所述的忆阻器的制备方法，其特征在于：S2中所述阻变层溶液由碳化钒与去离子水混合配制而成，所述碳化钒与所述去离子水二者的质量比为2：25。
7.根据权利要求6所述的忆阻器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、取一块经过紫外光照射、尺寸为2英寸、厚度为350μm的硅衬底（1），利用物理气相沉积法在所述硅衬底（1）上进行镀膜加工，在所述硅衬底（1）上形成一层材质为钨、厚度为80nm的底电极层（2）；
S2、配制0.5ml的阻变层溶液，将配制好的所述阻变层溶液超声振动2h，使所述阻变层溶液混合均匀，随后将所述阻变层溶液均匀地滴涂在所述底电极层（2）上，再将滴涂后的器件整体放置于烘干机内，70℃环境下烘烤40min，在所述底电极层（2）上形成一层阻变层（3）；
S3、将掩模板贴覆于所述阻变层（3）上，再将器件整体放入磁控溅射腔体内进行镀膜加工，在所述阻变层（3）上形成一层材质为银、整体厚度为100nm的顶电极层（4）；所述顶电极层（4）为形成于所述阻变层（3）上方的多块尺寸为200μm*200μm的正方形区域，每块所述正方形区域间相互隔开。
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| CN202010720981.2A Pending CN111900250A (zh) | 2020-07-24 | 2020-07-24 | 一种基于二维过渡金属材料的忆阻器及其制备方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111900250A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113224236A (zh) * | 2021-05-11 | 2021-08-06 | 山东大学 | 一种透明的双层结构忆阻器及其制备方法 |
| CN113629187A (zh) * | 2021-08-04 | 2021-11-09 | 北京航空航天大学 | 一种光电神经突触忆阻器 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109545961A (zh) * | 2018-11-15 | 2019-03-29 | 南京邮电大学 | 一种基于二维材料的类脑阻变开关的制备方法 |
| CN109920909A (zh) * | 2019-02-21 | 2019-06-21 | 南京邮电大学 | 基于二维MXene材料的忆阻器件及其制备方法 |
-
2020
- 2020-07-24 CN CN202010720981.2A patent/CN111900250A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109545961A (zh) * | 2018-11-15 | 2019-03-29 | 南京邮电大学 | 一种基于二维材料的类脑阻变开关的制备方法 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN113629187B (zh) * | 2021-08-04 | 2024-01-02 | 北京航空航天大学 | 一种光电神经突触忆阻器 |
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