CN112951987A - 一种利用光信号在忆阻器中实现正负光电导的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用光信号在忆阻器中实现正负光电导的方法，该忆阻器包括底电极层、顶电极层以及位于两者之间的氧化物层，其中氧化物层包括富氧层和缺氧层，富氧层与顶电极层相邻，缺氧层与底电极层相邻，所述方法为通过顶电极层输入光信号，所述方法包括所述忆阻器通过光信号获得正向光电导模式或负向光电导模式；在所述正向光电导模式下，所述光信号为紫外光；在所述负向光电导模式下，所述光信号为可见光或红外光。利用本发明公开的忆阻器本身的特性在不同波长的光信号下能够实现忆阻器电导正负极性的可逆调控。

Description

一种利用光信号在忆阻器中实现正负光电导的方法
技术领域
本发明涉及光电技术领域，更具体地，涉及一种利用光信号调控忆阻器光电导正负极性的方法。
背景技术
随着人工智能大数据时代到来，实时信息传输及处理对计算机性能的要求不断提升。在传统的冯·诺依曼计算机架构中，基于摩尔定律的计算能力提升方案已逐步受限于物理瓶颈，通过器件缩放集成不再能提供所需的性能增益。人脑能将信息存储与处理并行，进行大规模的运算，极大程度上降低了功耗，发展类脑智能器件是突破当下技术瓶颈的重要方向之一。
忆阻器，其阻值可随流经电荷发生动态变化，被认为是构建类脑芯片的理想选择。忆阻器(memristor)是继电阻、电容、电感之后的第四种无源电子元件。1971年，蔡少棠教授首次提出了忆阻器的概念,他在研究电荷、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。直至2008年,惠普实验室报道了首个可行的忆阻器原型器件。此后，为了满足忆阻器的性能和功能需求,科学家一直致力于研发高性能忆阻材料体系。忆阻器最常见的结构为金属/绝缘体/金属的堆垛结构，包括两层电极材料和一层功能忆阻材料。器件的阻变特性与功能层材料和电极材料密切相关。
忆阻器在实际应用中还存在很多问题，比如在模拟神经突触功能方面，作为突触激励的电信号，存在带宽限制、较高功耗、集成串扰等问题。并且电刺激会对材料微观结构产生一定影响，而光刺激信号具有高速、低串扰、低功耗等优点是理想的选择，基于此的光电忆阻器目前正在被广泛地研究与讨论。
半导体受光照引起电导率的改变，最早是1873年W.史密斯在硒上发现的。此后，又先后在氧化亚铜、硫化铊、硫化镉等材料中发现。半导体材料由于对光子的吸收引起自由载流子浓度的变化，导致材料电导率的变化，这种现象称为光电导效应。在绝大多数半导体材料中，光照会在价带或导带中形成自由电荷载流子，从而使材料的电导率增加，称为正向光电导效应(positive photoconductivity，PPC)。在某些不常见的情况下，电导率在光照下降低，甚至低于无光照时的水平，这种现象称为负向光电导效应(negativephotoconductivity，NPC)。负向光电导效应通常被认为是由材料和器件的缺陷引起的。目前，已经报道了多种材料能实现负向光电导，例如砷化铟、金纳米颗粒、碳纳米管等。
正负光电导效应可以应用于光电探测器领域，而最近的研究表明其与生物视觉通路中双极细胞的生物特性类似。双极细胞是脊椎动物视网膜的中间神经元，它接收光感受器(视锥细胞，视杆细胞)的信号输入，并把视觉信号分流为给光信号(ON)和撤光信号(OFF)，在整合后传递至无长突细胞和神经节细胞。在人脑处理的信息中，超过80％都是通过眼睛获得的，而由眼睛传入的光信息有很大部分是冗余的，双极细胞的作用并不只是简单地对光起反应，而是开始分析视觉信息，对输入的图像信息进行预处理，提取特征要素传入到大脑，从而提高了对信息处理的效率。构建一个媲美人眼的类脑视觉系统，是科研人员一直在研究探索的方向。基于正负光电导效应的类视网膜形态器件有望进一步扩展忆阻器的常规功能，实现一种集视觉信息感知和处理一体的人工视觉系统。
在同一个器件中既能实现正向光电导又能实现负向光电导效应还鲜有报道。目前已有的报道主要通过外加辅助控制条件(如电压、温度等)实现正负光电导行为。例如，公开号为CN 107681016 A的专利说明书公开了一种利用电压控制实现正负光电导的方法，其借助铁电性氧化物衬底的铁电极化效应实现正负光电导，极化电压高达50V～800V，并且其光响应的波长范围也只有400nm～600nm。文献“Bias-switchable negative and positivephotoconductivity in 2D FePS3 ultraviolet photodetectors”(Nanotechnology,2018,https://doi.org/10.1088/1361-6528/aab9d2)报道了一种利用栅极电压控制在硫化磷铁光电晶体管中实现正负光电导的现象。由于二维硫化磷铁材料表面缺陷态的存在，施加栅极电压会使费米能级发生变化，导致光照下空穴迁移率产生差异。施加正栅压(20V～40V)时，器件会产生正向光电导，施加负栅压(-20V～-40V)时，器件会产生负向光电导，并且其只对深紫外光(254nm)才会产生正负光电导效应。文献“Temperature sensitivephotoconductivity observed in InN layers”(Applied Physics Letters,2013,http://dx.doi.org/10.1063/1.4793190)报道了一种利用温度控制在氮化铟中实现正负光电导的现象。由于材料中晶格缺陷的存在，不同温度下光照会对载流子迁移率产生影响。当加热温度低于临界温度(130K)时，器件会产生正向光电导；当加热温度高于临界温度(130K)时，器件会产生负向光电导。上述几种利用辅助控制条件实现正负光电导的方法在结构及操作上较为复杂，这会限制器件后续的集成应用。
综上所述，要在同一个器件中实现正负光电导，目前还需要电压或温度等辅助控制条件，这极大程度上制约了正负光电导的应用。到目前为止，仅依靠光照在同一器件中实现正负光电导，还没有文献报道。
发明内容
本发明提供一种利用光信号在忆阻器中实现正负光电导的方法，首次仅依靠光照在同一器件中实现正负光电导。
一种利用光信号在忆阻器中实现正负光电导的方法，所述忆阻器包括底电极层、顶电极层以及位于两者之间的氧化物层，其中氧化物层包括富氧层和缺氧层，富氧层与顶电极层相邻，缺氧层与底电极层相邻，所述方法为通过顶电极层输入光信号，所述方法包括所述忆阻器通过光信号获得正向光电导模式或负向光电导模式；
在所述正向光电导模式下，所述光信号为紫外光；
在所述负向光电导模式下，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器件的光电导正负极性进行调控，所述的忆阻器中缺氧层与富氧层接触的界面存在肖特基势垒，会形成内建电场，在光照条件下产生的光伏电压与器件自身施加的电压相反，产生的光伏电压会对器件电流起到降低的作用。短波光照射下，本征激发产生的电流较大形成正向光电导；长波光照下，非本征激发产生的光生载流子数量较少，使得器件产生的光伏电压对电流的降低作用占主导，进而产生负向光电导。
在正向光电导或负向光电导的模式下，光照停止后，所述的忆阻器的电导态不可保持，即撤光后电导态会快速恢复到初始无光照的状态。该正负光电导的调控方法可以在集视觉信息感知和处理一体的人工视觉系统中得到应用。
所述的忆阻器还包括衬底，采用镀膜工艺在衬底上依次形成底电极层、氧化物层和顶电极层，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。
所述衬底为绝缘衬底、半导体衬底或导电衬底。其中，所述绝缘衬底包括热氧化硅片、玻璃、陶瓷或塑料；所述半导体衬底包括硅、氧化物半导体、氮化物半导体或硫化物半导体；所述导电衬底包括金属或石墨。
考虑到与现有互补金属氧化物半导体技术工艺的兼容性以及在集成电路领域的应用，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。
所述底电极层的材料为金属或导电氧化物。进一步优选，所述底电极层的材料为金属，如金、铂、铜、银、铝、钛或铁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。
所述底电极层的厚度为3～250nm，进一步优选为150nm。
所述的氧化物层的材料为氧化物，所述的缺氧层的材料为在氩气气氛中生长的氧化物，所述的富氧层的材料为在氩气和氧气气氛中生长的氧化物层。
进一步优选，所述氧化物层的材料为氧化锌、氧化锡、氧化镓、氧化铟、氧化铟锡或氧化铟镓锌中一种或多种组合。进一步优选，所述半导体层的材料为氧化铟镓锌。
所述缺氧层和富氧层厚度会对器件性能产生重要影响。缺氧层载流子浓度高，导电性好；富氧层载流子浓度低，导电性差。若缺氧层太厚，器件在黑暗环境中的起始电流太大，观察不到光照引起的光电导效应。若缺氧层太薄，则缺氧层与富氧层的界面难以形成有效的肖特基结，使得器件在光照下无法产生光伏电压，从而无法实现负向光电导效应。若富氧层太厚，一方面，器件在黑暗环境中的起始电流太小，噪声信号干扰严重，另一方面，光线穿过富氧层照射到缺氧层与富氧层界面的强度也会严重减弱，这两方面因素都会导致负向光电导消失。若富氧层太薄，则缺氧层与富氧层的界面难以形成有效的肖特基结，使得器件在光照下无法产生光伏电压，从而无法实现负向光电导效应。作为优选，所述缺氧层的厚度为10～100nm，进一步优选为60nm；所述富氧层的厚度为5～60nm，进一步优选为20nm。
所述顶电极层的材料为金属或导电氧化物。进一步优选，所述顶电极层的材料为金属，如金、铂、铜、银、铝、钛或铁中的一种或多种组合。再进一步优选，所述顶电极层的材料为金。
所述顶电极层的厚度为3～100nm，进一步优选为10nm。
在所述正向光电导模式下，所述光信号为紫外光，波长为250～400nm。
在所述负向光电导模式下，所述光信号为可见光或红外光，波长为500～1000nm。
本发明利用上述方案制备忆阻器，设计了一种正负光电导调控的方法：采用不同的光信号实现了对忆阻器光电导正负极性的调控；使所述忆阻器为正光电导模式的光照是紫外光；使所述忆阻器为负光电导模式的光照是可见光或红外光。
合适波长的紫外光照射忆阻器时，入射光子能量大于半导体禁带宽度时，价带顶的电子跃迁至导带，同时在价带中形成空穴，引起载流子浓度增大，因而电导增大，此外由于氧化物中存在丰富的氧空位缺陷，在紫外光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，但是在紫外光照下，氧化物层内部缺氧层与富氧层接触的界面也会产生光伏效应，由于本征激发与氧空位缺陷电离产生的正向光电导效应远大于光伏电场诱导的负向光电导效应，因此表现为正向响应，当光撤去后，电导迅速恢复到初始无光照的状态。
合适波长的可见光或红外光照射忆阻器时，其光子能量小于半导体禁带宽度，无法发生本征激发，但可以使禁带中缺陷能级(例如氧空位缺陷)的电子激发至导带，但相比本征激发产生的光生载流子数量相对较少，使其产生的光伏电压对器件电流的降低作用占主导，进而产生负向光电导，当光撤去后，电导迅速恢复到初始无光照的状态。
优选的，所述底电极层的材料为铂或金，厚度为50～250nm；氧化物层的材料为氧化铟镓锌，其中缺氧层的厚度为30～80nm，富氧层的厚度为10～40nm；顶电极层的材料为金或铂，厚度为5～20nm。
在合适的优选搭配下，器件对300～1000nm波长光的平均透过率大于50％，在黑暗环境中施加0.1V的电压，起始电流在10-13～10-9安培的量级，正向光电导模式下光电流增幅超过两个数量级，负向光电导模式下光电流减幅超过一个数量级，正负光电导效应显著。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
(1)利用本发明的忆阻器实现正负光电导的方法简单有效，不需要电压等外加辅助控制条件，利用发明的忆阻器本身的特性在不同波长的光信号下能够实现忆阻器电导极性的可逆调控。
(2)本发明所采用的器件为两端结构，制备简单，具有优异的可扩展性，与现代互补金属氧化物半导体技术高度兼容，因此本发明具有广阔的应用前景。
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-氧化物层，21-富氧层，22-缺氧层，3-底电极层，4-衬底；
图2为实施例1制备的忆阻器在黑暗环境下的电流-电压特性曲线图(步长为：10mV)；
图3为实施例1制备的忆阻器分别在黑暗环境下、300nm紫外光照和600nm可见光照下的电流-电压线性扫描曲线图(步长：10mV)，光功率密度均为20μW/cm2。其中600nm光照下，曲线相对于零点发生了明显的偏移，这是由于光伏效应诱导产生的电场，其电场方向与所施加正电压的电场方向相反；
图4为实施例1制备的忆阻器正向光电导模式图，其中光信号采用了250～400nm的紫外光，光功率密度均为20μW/cm2；
图5为实施例1制备的忆阻器负向光电导模式图，其中光信号采用了500～1000nm的可见光与红外光，光功率密度均为20μW/cm2；
图6为实施例2制备的忆阻器在黑暗环境下的电流-电压特性曲线图(步长为：10mV)；
图7为实施例2制备的忆阻器分别在黑暗环境下、300nm紫外光照和600nm可见光照下的电流-电压线性扫描曲线图(步长：10mV)，光功率密度均为20μW/cm2；其中600nm光照下，曲线相对于零点也发生了明显的偏移；
图8为实施例2制备的忆阻器正向光电导模式，其中光信号采用了300～350nm的紫外光，光功率密度均为20μW/cm2；
图9为实施例2制备的忆阻器负向光电导模式，其中光信号采用了500～600nm的可见光，光功率密度均为20μW/cm2。
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、氧化物层2(缺氧层22和富氧层21)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4上形成底电极层3、氧化物层2(缺氧层22和富氧层21)和顶电极层1。本实施例的衬底为热氧化硅片，底电极层3材料采用铂，其厚度为150nm；氧化物层2材料采用氧化铟镓锌(IGZO)，其中包括缺氧层与富氧层，缺氧层厚度为60nm，富氧层厚度为20nm；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忆阻器的绝缘衬底。钛薄膜生长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150nm厚的铂薄膜作为底电极层4。
(2)采用磁控溅射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，在底电极层4上采用磁控溅射的方法依次在氩气氛围中生长一层缺氧IGZO薄膜，在氧气氩气氛围中生长一层富氧IGZO薄膜，具体步骤如下：
以IGZO作为溅射靶材，其中氩气氛围中生长缺氧IGZO薄膜是以高纯氩气为溅射气氛，气流量为10～60sccm，氩气和氧气氛围中生长富氧IGZO薄膜是以高纯氩气和高纯氧气作为溅射气氛，气流量分别为10～60sccm和2～60sccm。衬底温度为室温，溅射功率为20～100W，溅射温度为20～50℃，溅射时间为1～180min，更换生长气氛等待10-30min。
(3)利用电子束蒸发结合掩膜板的方法在(2)中制备的富氧IGZO薄膜上生长由金制成的顶电极层1，顶电极层1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，器件从下至上依次包括衬底4、底电极层3、氧化物层2(缺氧层22和富氧层21)和顶电极层1，光照通过顶电极1输入。其中衬底4为热氧化硅片；衬底4和底电极层3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3和热氧化硅片的热氧化层接触；底电极层3为150nm厚的铂薄膜；氧化物层2包括缺氧IGZO层22和富氧IGZO层21，缺氧层厚度为60nm，富氧层厚度为20nm；顶电极层1为金薄膜，厚度为10nm。其中，氧化物层2内部缺氧层22与富氧层21接触的界面会存在肖特基势垒。
对本实施例制备的器件进行电学测试，其在黑暗环境下的电流-电压特性曲线如图2所示，底电极接地，电压施加在顶电极，可以看到明显的回滞窗口。其在黑暗环境下、300nm紫外光照和600nm可见光照下的电流-电压线性扫描曲线如图3所示，底电极接地，电压施加在顶电极，光照通过顶电极输入，可以看到600nm可见光照下曲线相对于零点发生了明显的偏移，在300nm紫外光照下器件的电流整体升高了几个数量级。图4为本实施例制备的忆阻器在紫外光照射下的正向光电导模式，光照撤除后器件电导不可保持。图5为本实施例制备忆阻器在可见光及红外光照射下的负向光电导模式，光照撤除后器件电导不可保持。
实施例2
与实施例1的区别在于底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200nm，IGZO薄膜包括缺氧层与富氧层，缺氧层厚度为60nm，富氧层厚度为20nm，金电极厚度为10nm。
图6为本实施例制备的忆阻器在黑暗环境下的电流-电压特性曲线，底电极接地，电压施加在顶电极，可以看到明显的回滞窗口。图7为本实施例制备的忆阻器在黑暗环境下、300nm紫外光照和600nm可见光照下的电流-电压线性扫描曲线，底电极接地，电压施加在顶电极，光照通过顶电极输入，可以看到600nm可见光照下曲线相对于零点发生了明显的偏移，在300nm紫外光照下器件的电流整体升高了几个数量级。图8为本实施例制备的忆阻器在紫外光照射下的正向光电导模式，光照撤除后器件电导不可保持。图9为本实施例制备的忆阻器在可见光照射下的负向光电导模式，光照撤除后器件电导不可保持。
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 (9)

1.一种利用光信号在忆阻器中实现正负光电导的方法，所述忆阻器包括底电极层、顶电极层以及位于两者之间的氧化物层，其中氧化物层包括富氧层和缺氧层，富氧层与顶电极层相邻，缺氧层与底电极层相邻，所述方法为通过顶电极层输入光信号，所述方法包括所述忆阻器通过光信号获得正向光电导模式或负向光电导模式；
在所述正向光电导模式下，所述光信号为紫外光；
在所述负向光电导模式下，所述光信号为可见光或红外光。
2.根据权利要求1所述的利用光信号在忆阻器中实现正负光电导的方法，其特征在于，所述的忆阻器还包括衬底，采用镀膜工艺在衬底上依次形成底电极层、缺氧层、富氧层和顶电极层，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。
3.根据权利要求2所述的利用光信号在忆阻器中实现正负光电导的方法，其特征在于，所述衬底为绝缘衬底、半导体衬底或导电衬底，其中：
所述绝缘衬底包括热氧化硅片、玻璃、陶瓷或塑料；
所述半导体衬底包括硅、氧化物半导体、氮化物半导体或硫化物半导体；
所述导电衬底包括金属或石墨。
4.根据权利要求1所述的利用光信号在忆阻器中实现正负光电导的方法，其特征在于，所述的底电极层的材料为金属或导电氧化物；
所述底电极层的厚度为3～250nm。
5.根据权利要求1所述的利用光信号在忆阻器中实现正负光电导的方法，其特征在于，所述的氧化物层的材料为氧化物，所述的缺氧层的材料为在氩气气氛中生长的氧化物，所述的富氧层的材料为在氩气和氧气气氛中生长的氧化物；
所述缺氧层的厚度为10～100nm；
所述富氧层的厚度为5～60nm。
6.根据权利要求5所述的利用光信号在忆阻器中实现正负光电导的方法，其特征在于，所述的氧化物为氧化锌、氧化锡、氧化镓、氧化铟、氧化铟锡或氧化铟镓锌中的一种或多种组合。
7.根据权利要求1所述的利用光信号在忆阻器中实现正负光电导的方法，其特征在于，所述的顶电极层的材料为金、铂、铜、银、铝、钛或铁中的一种或多种组合；
所述顶电极层的厚度为3～100nm。
8.根据权利要求1所述的利用光信号在忆阻器中实现正负光电导的方法，其特征在于，所述的正向光电导模式下，所述光信号为紫外光，波长为250～400nm；
在所述负向光电导模式下，所述光信号为可见光或红外光，波长为500～1000nm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的利用光信号在忆阻器中实现正负光电导的方法，其特征在于，所述底电极层的材料为铂或金，厚度为50～250nm；氧化物层的材料为氧化铟镓锌，其中缺氧层的厚度为30～80nm，富氧层的厚度为10～40nm；顶电极层的材料为金或铂，厚度为5～20nm。
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