CN112086557A - 一种阻态依赖阈值开关性质的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种忆阻器，包括衬底、第一电极、氧化铪层和第二电极，各个材料之间依次叠加，功能性材料氧化铪层设置在第一电极和第二电极之间，本发明还公开了一种忆阻器的制备方法和一种忆阻器的阻态依赖阈值开关特性的实现方法，本发明实现了忆阻器的可调控的阈值开关阻变性质，忆阻器的结构简单、制作工艺简便，使忆阻器在不同阻态下呈现出具有差异性的阈值开关特性。
Description
技术领域
本发明属于忆阻器技术领域，具体涉及一种阻态依赖阈值开关性质的实现方法。
背景技术
忆阻器作为新兴的基础信息器件,在非易失性高密度存储、类脑神经形态计算、可重构逻辑运算等领域具有广泛的应用前景,受到学术界和工业界广泛关注。通过调控忆阻器中金属导电通道的稳定性,可以实现非易失性记忆开关和易失性阈值开关行为,前者可以作为嵌入式存储器、非易失逻辑功能的物理基础,而后者则可应用于构建选通管、人工神经元、随机数产生器等。
忆阻器在电信号作用下发生可逆的高低阻转变效应，被称为阻变开关效应。迄今为止，人们相继在二元金属氧化物、多元金属氧化物、钙钛矿以及固体电解质材料等薄膜材料中发现电阻开关特性。在现有的关于忆阻器电学性能的研究中，主要可以分为单极性阻变效应、双极型阻变、阈值开关阻变等阻变性质，在大部分研究中，阈值开关阻变特性和其他阻变特性是单独出现或者通过限制电流等电学参数实现多种阻变效应的转换，很少研究具有阻态依赖的阈值阻变开关效应。通过其他阻变效应、控制器件工作过程的限制电流，可调整器件的记忆性阻值，从而实现对阻态依赖阈值开关效应精准调控。阻态依赖阈值开关特性主要具有两个重要的意义：一是此种性质可以为新型布尔逻辑运算提供新思路，如多值逻辑运算等；二是此种性质可以为模拟生物神经突触功能提供新的突破点，为构建复杂神经网络提供新思路。此外，已有的研究中的忆阻器工作电压大部分都在1V以上，使得在大规模逻辑运算系统或复杂神经网络的整体功耗相对较高，不符合低功耗的设计初衷，毫伏级别工作电压的忆阻器还较少被报道。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一目的在于，提供了一种忆阻器，能够在毫伏级别的电压下实现可调控的阈值开关阻变性质。
为实现上述目的，本发明按照以下技术方案予以实现：
一种忆阻器，包括衬底、第一电极、氧化铪层和第二电极，所述第一电极设置在所述衬底的表面，所述氧化铪层设置在所述第一电极的表面，所述第二电极蒸镀在所述氧化铪层的表面。
进一步的，所述衬底为玻璃衬底。
进一步的，所述氧化铪层的厚度为10-30nm。
进一步的，所述第一电极的材质为氧化铟锡，所述氧化铟锡为单层结构。
进一步的，所述第二电极的材质为银。
进一步的，所述第一电极的厚度和所述第二电极的厚度均在100-300nm之间。
本发明的第二目的在于，提供一种忆阻器的制备方法，结构简单，制作工艺简便，具有良好的实际应用。
为实现上述目的，本发明按照以下技术方案予以实现：
一种忆阻器的制备方法，包括以下步骤：
采用原子层沉积方法在第一电极上制备氧化铪层，反应物为四(二乙氨基)铪和H2O，反应温度为150℃；
在所述氧化铪层的表面蒸镀第二电极，反应气氛为氩气，气压为0.1Pa，功率为100W。
进一步的，所述蒸镀的方法包括离子溅射或磁控溅射，溅射靶材为高纯Ag靶。
进一步的，所述衬底为玻璃衬底。
进一步的，所述氧化铪层的厚度为10nm。
进一步的，所述第一电极的材质为氧化铟锡，所述氧化铟锡为单层结构。
进一步的，所述第二电极的材质为银。
进一步的，所述第一电极的厚度和所述第二电极的厚度均在100-300nm之间。本发明的第三目的在于，提供一种忆阻器的阻态依赖阈值开关特性的实现方法，能够使忆阻器在不同阻态下呈现出具有差异性的阈值开关特性。
一种基于忆阻器的阻态依赖阈值开关特性的实现方法，包括以下步骤：
对忆阻器施加一个2V的电压，所述忆阻器表现为偶极性开关效应；
在所述电压为0.8V的情况下，所述忆阻器由高阻态开关特性转化为低阻态开关特性，在所述电压为-1.2V的情况下，所述忆阻器由所述低阻态开关特性转化为所述高阻态开关特性。
进一步的，所述阈值开关特性的工作电压单位为毫伏，最低电压区间为-1mV～1mV，所述忆阻器在所述最低电压区间扫描时，在正负电压作用下均可呈现所述阈值开关特性。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：
本发明提供了一种忆阻器，包括衬底、第一电极、氧化铪层和第二电极，各个材料之间依次叠加，功能性材料设置在第一电极和第二电极之间，能够在毫伏级别的电压下实现可调控的阈值开关阻变性质，达到降低功耗的效果。
本发明提供了一种忆阻器的制备方法，采用原子层沉积方法在第一电极上制备氧化铪层，反应物为H2O，反应温度为150℃；在所述氧化铪层的表面蒸镀第二电极，反应气氛为氩气，气压为0.1Pa，功率为100W，实现了忆阻器的可调控的阈值开关阻变性质，结构简单，制作工艺简便，具有良好的实际应用。
本发明提供了一种忆阻器的阻态依赖阈值开关特性的实现方法，对忆阻器施加一个2V的电压，所述忆阻器表现为偶极性开关效应；在所述电压为0.8V的情况下，所述忆阻器由高阻态开关特性转化为低阻态开关特性，在所述电压为-1.2V的情况下，所述忆阻器由所述低阻态开关特性转化为所述高阻态开关特性，能够使忆阻器在不同阻态下呈现出具有差异性的阈值开关特性。
附图说明
图1是本发明实施例1中所述的忆阻器的结构示意图。
图2是本发明实施例3中所述的忆阻器的双极型电阻开关效应的测试结果。
图3是本发明实施例3中所述的忆阻器的低电压阈值开关阻变性质的电流-电压关系曲线图。
具体实施方式
为了充分地了解本发明的目的、特征和效果，以下将结合附图与具体实施方式对本发明的构思、具体步骤及产生的技术效果作进一步说明。
实施例1
如图1所示，本实施例公开了一种忆阻器，包括衬底200、第一电极201、氧化铪层202和第二电极203，第一电极201设置在衬底200的表面，氧化铪层202设置在第一电极201的表面，第二电极203蒸镀在氧化铪层202的表面。
具体的在本实施例中，忆阻器的结构从下往上依次是：衬底200，第一电极201，氧化铪层202和第二电极203，衬底200为玻璃衬底，第一电极201的材质为氧化铟锡，功能层材料为氧化铪层202，第二电极203为活性金属银。
优选的，衬底200为玻璃衬底。
具体的在本实施例中，衬底200为玻璃衬底，易于制备忆阻器，以及在实验的过程中进行观察变化。
优选的，氧化铪层202的厚度为10-30nm。
优选的，第一电极201的材质为氧化铟锡，氧化铟锡为单层结构。
优选的，第二电极203的材质为银。
具体的在实施例中，由于银属于导电能力强的金属，用银做第二电极203，增强了忆阻器的导电能力。
优选的，第一电极201的厚度和第二电极203的厚度均在100-300nm之间。
具体的在本实施例中，由于第一电极201和第二电极203是蒸镀在氧化铪层202之间，厚度选择在100-300nm之间，可以增强电极与氧化铪层202连接的效果。
实施例2
本实施例公开了一种忆阻器的制备方法，包括以下步骤：
采用原子层沉积方法在第一电极201上制备氧化铪层202，反应物为四(二乙氨基)铪和H2O，反应温度为150℃；在氧化铪层202的表面蒸镀第二电极203，反应气氛为氩气，气压为0.1Pa，功率为100W。
具体的在本实施例中，采用原子层沉积技术在ITO/玻璃衬底上制备10nm的HfOx(0<x≤2)薄膜，制备HfOx所用的Hf源为四(二乙氨基)铪，反应物为H2O，反应温度150℃，采用离子溅射在HfOx(0<x≤2)薄膜表面上制备Ag层作为表面电极(溅射靶材为高纯Ag靶，衬底温度为室温，反应气氛为氩气，气压为0.1Pa，功率为100W)，Ag厚度为100nm，电极大小为直径100μm，形成本发明所述的忆阻器。
优选的，蒸镀的方法包括离子溅射或磁控溅射，溅射靶材为高纯Ag靶。
具体的在本实施例中，离子溅射和磁控溅射均具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和镀膜粘附性好的优点，提高了将电极蒸镀在氧化铪层表面的效果。
优选的，衬底200为玻璃衬底。
具体的在本实施例中，衬底200为玻璃衬底，易于制备忆阻器，以及在实验的过程中进行观察变化。
优选的，氧化铪层202的厚度为10-30nm。
优选的，第一电极201的材质为氧化铟锡，氧化铟锡为单层结构。
优选的，第二电极203的材质为银。
具体的在实施例中，由于银属于导电能力强的金属，用银做第二电极203，增强了忆阻器的导电能力。
优选的，第一电极201的厚度和第二电极203的厚度均在100-300nm之间。
具体的在本实施例中，由于第一电极201和第二电极203是蒸镀在氧化铪层202之间，厚度选择在100-300nm之间，可以增强电极与氧化铪层202连接的效果。
优选的，蒸镀的方法包括离子溅射或磁控溅射。
具体的在本实施例中，离子溅射和磁控溅射均具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和镀膜粘附性好的优点，提高了将电极蒸镀在氧化铪层202表面的效果。
实施例3
本实施例公开了一种忆阻器的阻态依赖阈值开关特性的实现方法，包括以下步骤：
对忆阻器施加一个2V的电压，忆阻器表现为偶极性开关效应；
在电压为0.8V的情况下，忆阻器由高阻态开关特性转化为低阻态开关特性，在电压为-1.2V的情况下，忆阻器由低阻态开关特性转化为高阻态开关特性。下面结合对实施例1中的忆阻器进行测试的测试结果来说明忆阻器的阻态依赖阈值开关特性的优异性。
具体的，阈值开关特性的工作电压单位为毫伏，最低电压区间为-1mV～1mV，忆阻器在最低电压区间扫描时，在正负电压作用下均可呈现阈值开关特性。
具体的在本实施例中，首先进行测试忆阻器的双极型电阻开关效应，如图2所示，器件经过施加2V的电压后，表现为偶极性开关效应，分别在-0.8V和-1.2V实现由OFF态至ON态以及至ON态至OFF态的可逆转变(其中ON态表示低阻态、OFF态表示高阻态)。
同时对忆阻器的低电压阈值开关阻变性质的电流-电压关系进行测试，如图3所示，电压范围为-2mV～2mV，电流在电压的作用下呈现非线性性质，并且存在明显的阈值开关阻变性质，低电压阈值开关阻变性质受忆阻器的电阻状态的影响，如图3中上端曲线所示，ON状态下电流明显较大，如图3中下端曲线所示，OFF状态下电流明显较小。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明构思在现有技术基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的技术方案，均应该在由本权利要求书所确定的保护范围。
Claims (10)
1.一种忆阻器，其特征在于，包括衬底、第一电极、氧化铪层和第二电极，所述第一电极设置在所述衬底的表面，所述氧化铪层设置在所述第一电极的表面，所述第二电极蒸镀在所述氧化铪层的表面。
2.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述衬底为玻璃衬底。
3.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述氧化铪层的厚度为10-30nm。
4.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述第一电极的材质为氧化铟锡，所述氧化铟锡为单层结构。
5.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述第二电极的材质为银。
6.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述第一电极的厚度和所述第二电极的厚度均在100-300nm之间。
7.一种忆阻器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用原子层沉积方法在第一电极上制备氧化铪层，反应物为四(二乙氨基)铪和H2O，反应温度为150℃；
在所述氧化铪层的表面蒸镀第二电极，反应气氛为氩气，气压为0.1Pa，功率为100W。
8.根据权利要求7所述的忆阻器的制备方法，其特征在于，
所述蒸镀的方法包括离子溅射或磁控溅射，溅射靶材为高纯Ag靶。
9.一种忆阻器的阻态依赖阈值开关特性的实现方法，其特征在于，包括步骤：
对忆阻器施加一个2V的电压，所述忆阻器表现为偶极性开关效应；
在所述电压为0.8V的情况下，所述忆阻器由高阻态开关特性转化为低阻态开关特性，在所述电压为-1.2V的情况下，所述忆阻器由所述低阻态开关特性转化为所述高阻态开关特性。
10.根据权利要求9所述的忆阻器的阻态依赖阈值开关特性的实现方法，其特征在于，所述阈值开关特性的工作电压单位为毫伏，最低电压区间为-1mV～1mV，所述忆阻器在所述最低电压区间扫描时，在正负电压作用下均可呈现所述阈值开关特性。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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