CN113257996A - 基于铁电畴反转的两端神经形态器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于铁电畴反转的两端神经形态器件，包括：铁电层，其由具有铁电性的无机多元氧化物材料构成；上电极和下电极，其分别设置在所述铁电层的两端。本发明的基于铁电畴反转的两端神经形态器件能够根据外界刺激改变自身的属性，使得器件能够模拟神经突触。
Description
技术领域
本发明涉及一种两端铁电器件，该器件可利用铁电畴的反转来模拟生物突触的部分生理活动。
背景技术
随着当代信息社会突飞猛进的发展，信息数据的爆发式增长对计算机的数据处理能力的需求日益提高，而基于冯·诺依曼结构的传统计算机已经到达了性能提升的瓶颈，无法应对日新月异的发展带来的挑战，尤其是在类脑计算这个领域传统计算机的桎梏显得更加明显。虽然当前结构的计算机能在一定程度上模拟小型动物(老鼠等)的大脑活动，但传统结构计算机的功耗在模拟大脑时，首先需要复杂的超大规模集成电路，其次驱动这些集成电路需要消耗大量的电力。因此，构建一种新的能够模拟大脑的计算机结构是实现计算机数据处理能力最重要的一个环节。众所周知，人的大脑网络是由1014-1015个神经元组成的，而神经元之间的耦合连接是通过突触实现的。突触决定了两个神经元之间的连接强度，实现突触功能的是突触权重，它决定了神经元所传递信息的重要程度。所以实现类脑计算机结构的第一个门槛是找到一种可以模拟突触的电子器件。脑神经网络有三个很重要的功能引起了广泛的研究，一个功能是学习，一个功能是记忆，另一个是逻辑推理，对应到突触，学习功能就是突触权重在外界刺激下发生改变，记忆功能就是突触权重在发生改变后不会立即复原而是保持一段时间甚至长时间保持，逻辑推理功能就是神经元网络利用经过学习过程后的突触权重对外界刺激进行计算。因此人们希望提供一种能够模拟突触的电子器件，该器件不但能对外界刺激作出反应，并且对外界刺激做出的反应要能保持一定时间，最后该器件不宜太过复杂以避免无法构成大规模电路的窘境。
目前已经有关于有机法生长的有机/无机杂化钙钛矿两端人造突触电子器件，但是基于有机法生长的膜层的厚度大于500nm，生长过程复杂且有毒，制约了其在大规模集成电路中的应用。
发明内容
本发明提供一种基于铁电畴反转的两端神经形态器件，该器件是基于脉冲激光沉积法生长的无机铁电体器件，该器件能够契合突触电子化对器件提出的要求，提供一种能对外界刺激作出反应、具有一定记忆特性、结构简单的电子器件，其厚度可达到4纳米到1微米的范围，且生长过程无毒，可以有利地应用于大规模集成电路中。该基于铁电畴反转的两端神经形态器件包括：
上电极；
铁电层，置于所述上电极下方，所述铁电层为基于脉冲激光沉积法生长的无机铁电体，由具有铁电性的无机多元氧化物材料构成；
下电极，置于所述铁电层下方。
优选地，所述具有铁电性的无机多元氧化物材料包括具有铁电性的无机钙钛矿型氧化物材料。
优选地，所述具有铁电性的无机钙钛矿型氧化物材料包括选自钛酸钡、锆钛酸铅、铁酸铋、钛酸铅的组的任一种。
优选地，所述具有铁电性的无机多元氧化物材料还包括锆掺杂氧化铪。
优选地，所述铁电层厚度在4纳米到1微米的范围，以及优选地具有4纳米到400纳米的范围，以及更优选地，具有4纳米到100纳米的范围。
优选地，上电极由金属或导电氧化物构成。
优选地，所述金属包括铂、银或金。
优选地，所述下电极由晶格常数与所述铁电层材料晶格常数相近的导电性材料构成，所述晶格常数相近的导电性材料为使得所述铁电层在其上可以生长的材料，包括钙钛矿型氧化物材料。
优选地，用于所述下电极的所述钙钛矿型氧化物材料包括掺铌钛酸锶。
优选地，所述下电极由绝缘衬底上沉积一层导电物质构成，所述绝缘衬底和所述导电物质的材料为晶格常数与所述铁电层材料晶格常数相近的材料，所述晶格常数相近的材料为使得铁电层在其上可以生长的材料，所述下电极包括生长有镧锶锰氧的钛酸锶基片。
与普通PN结等二极管型器件相比，本发明自身的阻值可以通过外加电场进行改变，阻值的变化范围非常大，能成功模拟突触权重的变化。而且器件阻值变化之后并不会立即复原，而是会根据外加电场的大小、持续时间、频率等的不同维持不同的时间。这些特性使得本发明在探索新型计算机结构的道路上具有重要的意义。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1示出本发明的基于铁电畴反转的两端神经形态器件的结构示意图；
图2A示出本发明的基于铁电畴反转的两端神经形态器件在外加正向电场时的阻变示意图；
图2B示出本发明的基于铁电畴反转的两端神经形态器件在外加负向电场时的阻变示意图；
图3示出钛酸钡作铁电层或锆钛酸铅作铁电层的本发明的基于铁电畴反转的两端神经形态器件的结构示意图；
图4为钛酸钡作铁电层的基于铁电畴反转的两端神经形态器件在受到外部电场刺激后电流随时间的变化；
图5为锆钛酸铅作铁电层的基于铁电畴反转的两端神经形态器件在受到外部电场刺激后归一化的电导随时间的变化。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，图1为本发明的基于铁电畴反转的两端神经形态器件的结构示意图，其包括层叠的上电极1、铁电层2和下电极3。铁电层2中包含大量的铁电畴，铁电层2中的小方格代表不同的铁电畴，方格中的箭头代表该铁电畴的极化取向，初始状态下铁电畴的取向是随机的，大量随机取向的铁电畴叠加后的总和为0。在外加电场的作用下铁电畴的取向会趋向于一个方向，此时大量取向一致的铁电畴叠加后会使得整个铁电层2具有一定的铁电极化强度。铁电体极化状态发生改变，本质上是晶体的微观结构发生了变化，该变化一方面引起晶体极化状态发生变化，另一方面导致晶体的电阻发生变化。
参照图2A和图2B，图2A和图2B为本发明的基于铁电畴反转的两端神经形态器件在不同方向外加电场的极化示意图。为便于描述本发明，根据本发明的实施例，假定当铁电畴极化向下时铁电层2对电子的运动阻碍变小，器件进入低阻态，器件的电阻极小，而当铁电畴极化向上时则正好相反，器件进入高阻态，器件的电阻极大，实际的变化应按照材料的性质自行测量。结合上述假定，其中图2A的外加电场4为正向电场，相应的铁电畴集体取向向下，此时铁电层2对电子运动的阻碍变小，因而器件进入低阻态，器件的电阻极小。图2B的外加电场4为负向电场，相应的铁电畴集体取向向上，此时铁电层2对电子的阻碍作用变大，器件进入高阻态，器件的电阻极大。除了最高阻态与最低阻态，通过调节外加电场的大小、持续时间、频率等参数还可以使器件的电阻处于最高阻态与最低阻态之间的任意一个阻态，简言之，器件的阻态变化是连续的，能够更好的满足电路对其的需求。器件被极化以后，当撤去电场时，极化的状态并不会马上消失，而是可以保持一定的时间，保持的时间也是通过改变外加电场的大小、持续时间、频率等参数来实现的。本发明自身阻值受外加电场而改变的特性与突触受到外界刺激后突触权重发生改变的过程相吻合，从而可以用本发明模拟突触的学习功能。本发明阻值改变后能够维持一定时间的特性与突触权重不会立即复原的过程相吻合，因此可以用本发明模拟记忆过程。制作该器件需要经过如下步骤：
(1)将表面洁净的下电极与铁电体的靶材放入铁电层生长腔室；
(2)对生长腔室进行抽真空处理；
(3)根据铁电层的种类将下电极升温到特定的温度，同时调节氧压；
(4)开启激光器，使聚焦后的脉冲型激光轰击铁电体的靶材；
(5)激光的轰击会使靶材表面的材料气化，气化的材料移动到下电极表面时会形成薄膜；
(6)根据铁电体厚度要求确定脉冲激光的轰击次数；
(7)等待温度降至室温时取出覆盖有铁电层的下电极；
(8)在覆盖有铁电层的下电极表面旋涂光刻胶，然后在紫外线下进行曝光；
(9)将曝光后的半成品器件放入磁控溅射生长腔，在半成品器件上生长100nm的电极；
(10)将(9)中生长好的电极的半成品器件浸入丙酮溶液反复冲洗，去除光刻胶残胶。
实施例1
该实施例针对钛酸钡作铁电层的基于铁电畴反转的两端神经形态器件，该器件的外加电场由外接电源提供。参考图3，图3为本发明的钛酸钡作所述铁电层的基于铁电畴反转的两端神经形态器件的结构示意图。
30nm厚的钛酸钡薄膜作为铁电层2；
上电极1置于钛酸钡薄膜上方，为100nm厚，直径为10μm的圆形，由铂材料制成；
下电极3置于钛酸钡薄膜下方，为0.5mm厚(001)取向的掺铌钛酸锶基片；
外接电源4，其连接在上电极1和下电极3之间。
所述钛酸钡作铁电层的基于铁电畴反转的两端神经形态器件的制备过程如下：
步骤一：选单面抛光、取向为(001)、厚0.5mm、边长5mm的掺铌钛酸锶作下电极3，抛光面与铁电层2相接触；
步骤二：将下电极3与钛酸钡靶放入PLD生长腔室；
步骤三：将生长腔室抽真空到4×10-4Pa；
步骤四：以10℃/分钟的升温速率将下电极升温到720℃；
步骤五：将生长腔室的氧压调节到20Pa；
步骤六：待温度和氧压稳定后，开启激光，以2Hz的频率轰击钛酸钡的靶，轰击时间为7分钟，此时下电极3表面已生长有30nm钛酸钡薄膜；
步骤七：以20℃/分钟的降温速率将步骤六中的半成品器件降至室温；
步骤八：取出步骤七中的半成品器件，涂上光刻胶，然后在120℃的热台上烘烤2分钟；
步骤九：在上一步中的半成品器件上方覆盖掩模板进行紫外曝光，曝光时间为10秒；
步骤十：将上一步的半成品器件放入显影液浸泡45秒，然后使用去离子水清洗15秒；
步骤十一：将上一步的半成品器件放入磁控溅射生长腔室；
步骤十一：对生长腔室抽真空至4×10-4Pa；
步骤十二：在生长腔室里通入氩气至压力变为0.6Pa；
步骤十三：生长铂金电极，生长时间为600秒；
步骤十四：将上一步的半成品器件取出，进入丙酮溶液中进行清洗，洗去光刻胶残胶；
器件制备完成。
为了表明本发明的钛酸钡作铁电层基于铁电畴反转的两端神经形态器件，选用半导体性能测试系统，将上电极1与下电极3与测试系统连接到一起，通过操作测试系统改变本发明的器件的外加电场，进而测试器件的电流以反应器件电阻对外加电场的变化。图4为测试系统从上电极1与下电极3获得的施加外加电场之后器件的电流随时间的变化。测试时先在上电极1、下电极3之间施加一个负向电压使得器件处于Reset态(高阻态)，此时测得的电流极小，然后外加正向电场，器件处于低阻态，此时测得的上电极1、下电极3之间的电流比初始状态显著增加，当撤去外加电场时电流缓慢减小直至稳定，稳定后的电流也比初始状态的电流大。可以看出，本发明的器件的电阻不仅在加电场的时候发生改变，而且在外加电场撤去之后能继续保持，这与生物突触应对外部刺激的学习与记忆过程相吻合。
实施例2
该实施例针对锆钛酸铅作铁电层的基于铁电畴反转的两端神经形态器件，该器件的外加电场由外接电源提供。参考图3，图3为本发明的锆钛酸铅作所述铁电层的基于铁电畴反转的两端神经形态器件的结构示意图。
4nm厚的锆钛酸铅薄膜作为铁电层2；
上电极1置于锆钛酸铅薄膜上方，为100nm厚，直径为10μm的圆形，由银(Ag)材料制成；
下电极3置于锆钛酸铅薄膜下方，为生长有5nm厚镧锶锰氧的0.5mm厚(001)取向的钛酸锶基片；
外接电源4，其连接在上电极1和下电极3之间。
上述锆钛酸铅作铁电层的基于铁电畴反转的两端神经形态器件的制备过程如下：
步骤一：选单面抛光、取向为(001)、厚0.5mm、边长5mm的钛酸锶作衬底，抛光面用于生长下电极3与铁电层2；
步骤二：将衬底与锆钛酸铅靶、镧锶锰氧靶放入PLD生长腔室；
步骤三：将生长腔室抽真空到4×10-4Pa；
步骤四：以10℃/分钟的升温速率将衬底升温到675℃；
步骤五：将生长腔室的氧压调节到13.3Pa；
步骤六：待温度和氧压稳定后，开启激光，以1Hz的频率轰击镧锶锰氧的靶，轰击时间为1.5分钟；
步骤七：以10℃/分钟的降温速率将衬底降温到550℃；
步骤八：将生长腔室的氧压调节到26.6Pa；
步骤九：待温度和氧压稳定后，开启激光，以1Hz的频率轰击锆钛酸铅的靶，轰击时间为1.5分钟。此时衬底表面已生长有5nm镧锶锰氧薄膜作下电极3以及4nm的锆钛酸铅作铁电层2；
步骤十：以5℃/分钟的降温速率将步骤九中的半成品器件降至室温；
步骤十一：取出步骤十中的半成品器件，涂上光刻胶，然后在120℃的热台上烘烤2分钟；
步骤十二：在上一步中的半成品器件上方覆盖掩模板进行紫外曝光，曝光时间为10秒；
步骤十三：将上一步的半成品器件放入显影液浸泡45秒，然后使用去离子水清洗15秒；
步骤十四：将上一步的半成品器件放入磁控溅射生长腔室；
步骤十五：对生长腔室抽真空至4×10-4Pa；
步骤十六：在生长腔室里通入氩气至压力变为0.6Pa；
步骤十七：生长银电极，生长时间为240秒；
步骤十八：将上一步的半成品器件取出，进入丙酮溶液中进行清洗，洗去光刻胶残胶；
器件制备完成。
为了表明本发明的锆钛酸铅作铁电层的基于铁电畴反转的两端神经形态器件，选用半导体性能测试系统，将上电极1与下电极3与测试系统连接到一起，通过操作测试系统改变本发明的器件的外加电场，进而测试器件的归一化的电导以反应器件电阻对外加电场的变化。图5为测试系统从上电极1与下电极3获得的施加外加电场之后器件的归一化电导随时间的变化。测试时先在上电极1、下电极3之间施加一个负向电压使得器件处于Reset态(高阻态)，此时测得的归一化电导极小(图5中未示出)，然后在上电极1、下电极3之间施加脉冲数为N的正脉冲，器件处于低阻态，此时上电极1、下电极3之间的归一化电导比初始状态显著增加，当撤去外加正脉冲时归一化电导缓慢减小直至稳定，稳定后的归一化电导也比初始状态的电导大。可以看出，本发明的器件的归一化电导在外加电场撤去之后能继续保持，这与生物突触应对外部刺激的学习与记忆过程相吻合。
根据本发明的上述内容，本发明的基于铁电畴反转的两端神经形态器件是基于脉冲激光沉积法生长的，所获得的铁电层为无机铁电体，这种无机铁电体会更加稳定，且厚度更薄。本发明的铁电层的厚度为4纳米到1微米，以及优选地具有4纳米到400纳米的范围，以及更优选地，具有4纳米到100纳米的范围。
根据上述内容，铁电层材料应为具有良好铁电性的无机多元氧化物材料，当电场加在本发明的器件上时，铁电层中铁电畴的取向会发生变化并在电场撤去之后保持一定的时间。铁电层材料可以包括具有铁电性的无机钙钛矿型氧化物材料，其包括选自钛酸钡、锆钛酸铅、铁酸铋、钛酸铅等的组的任一种，还可以包括具有铁电性的无机非钙钛矿型氧化物材料，包括锆掺杂氧化铪等。
根据本发明的上述实施例上电极应由铂(Pt)、银(Ag)或金(Au)等金属或导电氧化物构成。
根据本发明的上述实施例下电极应由晶格常数与铁电层材料晶格常数相近的导电性材料构成，该晶格常数相近的导电性材料为使得铁电层在其上可以生长的材料，其包括但不仅限于钙钛矿型氧化物材料，例如掺铌钛酸锶。根据铁电层的物质种类不同，下电极也可由绝缘衬底上沉积一层导电物质构成，该绝缘衬底和导电物质的材料为晶格常数与铁电层材料晶格常数相近的材料，该晶格常数相近的材料为使得铁电层在其上可以生长的材料，该下电极包括生长有镧锶锰氧的钛酸锶基片。
在本发明中，对上电极的形状不作限定，上电极之间的间距不宜过小以避免发生粘连，尺寸在可测试范围内越小越好以避免铁电层缺陷对器件性能造成不良影响。
虽然上述具体实施例针对钛酸钡和锆钛酸铅作铁电层的基于铁电畴反转的两端神经形态器件进行了描述，但是本领域技术人员很容易理解，铁电层的物质种类以及尺寸都有一定的优化空间，但优化的原则是要保证铁电层具有良好的铁电性的前提下使铁电层尽可能薄。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
Claims (10)
1.一种基于铁电畴反转的两端神经形态器件，包括：
上电极；
铁电层，置于所述上电极下方，所述铁电层为基于脉冲激光沉积法生长的无机铁电体，由具有铁电性的无机多元氧化物材料构成；
下电极，置于所述铁电层下方。
2.根据权利要求1所述的基于铁电畴反转的两端神经形态器件，其中，所述具有铁电性的无机多元氧化物材料包括具有铁电性的无机钙钛矿型氧化物材料。
3.根据权利要求2所述的基于铁电畴反转的两端神经形态器件，其中，所述具有铁电性的无机钙钛矿型氧化物材料包括选自钛酸钡、锆钛酸铅、铁酸铋、钛酸铅的组的任一种。
4.根据权利要求1所述的基于铁电畴反转的两端神经形态器件，其中，所述具有铁电性的无机多元氧化物材料包括锆掺杂氧化铪。
5.根据权利要求1所述的基于铁电畴反转的两端神经形态器件，其中，所述铁电层厚度在4纳米到1微米的范围，以及优选地具有4纳米到400纳米的范围，以及更优选地，具有4纳米到100纳米的范围。
6.根据权利要求1所述的基于铁电畴反转的两端神经形态器件，其中，所述上电极由金属或导电氧化物构成。
7.根据权利要求6所述的基于铁电畴反转的两端神经形态器件，其中，所述金属包括铂、银或金。
8.根据权利要求1所述的基于铁电畴反转的两端神经形态器件，其中，所述下电极由晶格常数与所述铁电层材料晶格常数相近的导电性材料构成，所述晶格常数相近的导电性材料为使得所述铁电层在其上可以生长的材料，包括钙钛矿型氧化物材料。
9.根据权利要求8所述的基于铁电畴反转的两端神经形态器件，其中，用于所述下电极的所述钙钛矿型氧化物材料包括掺铌钛酸锶。
10.根据权利要求1所述的基于铁电畴反转的两端神经形态器件，其中，所述下电极由绝缘衬底上沉积一层导电物质构成，所述绝缘衬底和所述导电物质的材料为晶格常数与所述铁电层材料晶格常数相近的材料，所述晶格常数相近的材料为使得所述铁电层在其上可以生长的材料，所述下电极包括生长有镧锶锰氧的钛酸锶基片。
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