CN113380948A - 具有多级存储功能的突触忆阻器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有多级存储功能的突触忆阻器，包括绝缘衬底、形成在绝缘衬底上的第一电极层、形成在第一电极层上的第一阻变层、形成在第一阻变层上的第二阻变层、形成在第二阻变层上的第二电极层、以及形成在第二电极层上的保护层，第一阻变层的材料为氧化铝，第二阻变层的材料为氧化锌，以实现全阻态范围的多级变化。该忆阻器功耗小、工作电压小，工作电压的绝对值小于1V，阻值变化范围更大，所存储的数据量更大且能够实现在全阻态范围的多级变化；采用纯溶液法制备，操作简单方便，成本低，设备和和原料投资较少可用于大面积制备，实现大规模工业应用；实现了类人脑突触器件的多级存储功能，展示了该器件作为神经网络组成部分的重要潜能。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有多级存储功能的突触忆阻器及其制备方法，属于微电子技术领域。
背景技术
作为最具有潜力的非易失性存储器之一的忆阻器(RRAM)，因其优异的性能已经收到越来越广泛的关注于研究。由于其低压、高速、低功耗、多阻变的特点，忆阻器被认为是最具有潜力的可应用于人工智能神经网络的器件之一，其可变化的多重阻态可以被用来模拟人脑中神经突触的功能，并开发出具有类人脑突触的具有多级存储功能的电子器件。但是目前忆阻器的多级阻态仅仅体现在较高阻态范围，且阻值变化范围很小，需要的工作电压相对较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工作电压小、且能够实现在全阻态范围的多级变化的具有多级存储功能的突触忆阻器。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有多级存储功能的突触忆阻器，包括绝缘衬底、形成在所述绝缘衬底上的第一电极层、形成在所述第一电极层上的第一阻变层、形成在所述第一阻变层上的第二阻变层、形成在所述第二阻变层上的第二电极层、以及形成在所述第二电极层上的保护层，所述第一阻变层的材料为氧化铝，所述第二阻变层的材料为氧化锌，以实现全阻态范围的多级变化。
进一步地，所述第二电极层包括若干个间距排布的顶电极，所述顶电极的厚度为20-60nm，直径为0.05-0.15mm。
进一步地，所述顶电极的材料为金属银、金属铜或金；所述保护层的材料为金属铝或金属钛。
进一步地，所述第一电极层的材料为金属铂或氧化铟锡，所述第一电极层的厚度为50-150nm。
进一步地，所述绝缘衬底为单层透明玻璃或三层结构，所述三层结构为自上至下依次叠层设置的钛层、二氧化硅层和硅层。
本发明还提供一种具有多级存储功能的突触忆阻器的制备方法，所述制备方法用以制备如上所述的具有多级存储功能的突触忆阻器，所述制备方法包括：
S1、提供具有第一电极层的绝缘衬底，并对所述其进行清洗和亲水处理；
S2、利用水溶液法，在所述第一电极层上制备第一阻变层；
S3、利用水溶液法，在所述第一阻变层上制备第二阻变层；
S4、在所述第二阻变层上制备第二电极层；
S5、在所述第二电极层上制备保护层，得到具有多级存储功能的突触忆阻器。
进一步地，所述第一阻变层的具体制备步骤为：在20℃-30℃环境下制备氧化铝前驱体溶液，在室温环境下静置5-10min后，将所述氧化铝前驱体溶液滴于所述第一电极层上；以2000-5000rpm的速度在空气中旋涂10-60s；在250-350℃的温度下退火。
进一步地，所述第二阻变层的具体制备步骤为：在20℃-30℃环境下制备氧化锌前驱体溶液，在室温环境下静置5-10min后，将所述氧化锌前驱体溶液滴于所述第一阻变层上；以2000-5000rpm的速度在空气中旋涂10-60s；在250-350℃的温度下退火。
进一步地，所述第二电极层和保护层采用蒸发镀膜法制备得到。
进一步地，在所述第一阻变层上制备第二阻变层之前，所述制备方法还包括对所述第一阻变层进行亲水处理。
本发明的有益效果在于：
1)本发明得到的忆阻器功耗小、工作电压小，工作电压的绝对值小于1V，阻值变化范围更大，所存储的数据量更大且能够实现在全阻态范围的多级变化；
2)采用纯溶液法制备，操作简单方便，成本低，设备和和原料投资较少可用于大面积制备，实现大规模工业应用；
3)实现了类人脑突触器件的多级存储功能，展示了该器件作为神经网络组成部分的重要潜能。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明一实施例所示所示的具有多级存储功能的突触忆阻器的结构示意图；
图2为图1中所示的具有多级存储功能的突触忆阻器多级存储阻变特性示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
请参见图1，本发明一实施例所示的具有多级存储功能的突触忆阻器，其包括绝缘衬底、形成在绝缘衬底上的第一电极层、形成在第一电极层上的第一阻变层、形成在第一阻变层上的第二阻变层、形成在第二阻变层上的第二电极层、以及形成在第二电极层上的保护层，第一阻变层的材料为氧化铝，第二阻变层的材料为氧化锌，以实现全阻态范围的多级变化。但是第一阻变层的材料还可以为其他氧化物，第二阻变层还可以为其他宽禁带氧化物材料，在此不一一列举。
绝缘衬底为单层透明玻璃或三层结构，其中，三层结构为自上至下依次叠层设置的钛层、二氧化硅层和硅层。关于绝缘衬底的材料在此不做具体限定，还可以其他材料，在此不一一列举，可根据实际需要选择合适的绝缘衬底。
第一电极层的材料为金属铂或氧化铟锡，第一电极层的厚度为50-150nm。本实施例中，第一电极层由氧化铟锡制备得到，厚度为100nm。第一电极层的材料还可以其其他导电材料。
绝缘衬底和第一电极层可一体形成基底，该基底提前制备好，可直接使用，但也可由蒸发镀膜法等方法在绝缘衬底制备第一电极层而得到。关于在基底上制备第一电极的具体制备方法为现有技术，在此不再赘述。
其中，第二电极层包括若干个间距排布的顶电极，在一较佳实施例中，若干个顶电极可等间距排布，两个顶电极之间的间距可根据实际需要进行设置。顶电极为圆柱形结构，在不仅限于此，其还可为其他结构，在此不一样列举。顶电极的材料为金属银、金属铜或金，但不仅限于此，顶电极还可以为其他导电材料，在此不一一列举。顶电极的厚度为20-60nm，直径为0.05-0.15mm。本实施例中，顶电极由金属银制备得到，厚度为40nm，直径为0.1mm。使用单质金属或单质金属化合物材料作为第二电极层，替代了传统的氧化物材料，降低了成本和优化了制备工艺。
保护层的作用为保护第二电极层，以提高忆阻器的使用寿命。该保护层的材料为金属铝或金属钛，但不仅限于此，保护层的材料还可以由其他材料。本实施例中，保护层由金属钛制备得到。保护层的厚度为40nm，直径为0.1mm。
很显然，为了确保保护层的功能，保护层的直径不小于顶电极的直径，且没有顶电极的上表面都形成有保护层。
绝缘衬底为单层透明玻璃或三层结构，三层结构为自上至下依次叠层设置的钛层、二氧化硅层和硅层。
本发明还提供一种具有多级存储功能的突触忆阻器的制备方法，制备方法用以制备上述的具有多级存储功能的突触忆阻器，制备方法包括：
S1、提供具有第一电极层的绝缘衬底，并对其进行清洗和亲水处理；
S2、利用水溶液法，在第一电极层上制备第一阻变层；
S3、利用水溶液法，在第一阻变层上制备第二阻变层；
S4、在第二阻变层上制备第二电极层；
S5、在第二电极层上制备保护层，得到具有多级存储功能的突触忆阻器。
其中，第一阻变层的具体制备步骤为：在20℃-30℃环境下制备氧化铝前驱体溶液，在室温环境下静置5-10min后，将氧化铝前驱体溶液滴于第一电极层上；以2000-5000rpm的速度在空气中旋涂10-60s；在250-350℃的温度下退火。
第二阻变层的具体制备步骤为：在20℃-30℃环境下制备氧化锌前驱体溶液，在室温环境下静置5-10min后，将氧化锌前驱体溶液滴于第一阻变层上；以2000-5000rpm的速度在空气中旋涂10-60s；在250-350℃的温度下退火。
第二电极层和保护层采用蒸发镀膜法制备得到。
在第一阻变层上制备第二阻变层之前，制备方法还包括对第一阻变层进行亲水处理，以此增强第一阻变层和第二阻变层的结合强度。
该制备方法为溶液法，具有环保，低温，设备和和原料投资较少，可大面积制备的特点，实现大规模工业应用，制备中较低的温度使得制备简单高效，制备成本较低。
关于具有多级存储功能的突触忆阻器制备方法，下面进行详细说明。
步骤一、清洗并亲水处理基底
将具有第一电极层的绝缘衬底完全浸入盛放无水乙醇的烧杯中，将烧杯置于去离子水环境中进行超声清洗25min；再用去离子水冲洗具有第一电极层的绝缘衬底去除残留的乙醇杂质；然后将具有第一电极层的绝缘衬底完全浸入盛放丙酮的烧杯中，将烧杯置于去离子水环境中再次超声清洗25min；然后将具有第一电极层的绝缘衬底完全浸入盛放去离子水的烧杯中，将烧杯置于去离子水环境中超声清洗25min；最后用去离子水冲洗具有第一电极层的绝缘衬底并用氮气吹干，从而完成了对具有第一电极层的绝缘衬底的清洗。
将上述经超声清洗并干燥处理的具有第一电极层的绝缘衬底放入表面等离子清洗机的真空腔内，进行表面等离子清洗以增强第一电极层的亲水性，表面等离子清洗过程时间持续30min。需要说明的是该亲水处理是改变第一电极层表面的亲水性。
步骤二、制备第一阻变层
在25℃环境下制备氧化铝前驱体溶液，具体的：取9.3536g、纯度为99.99％的硝酸铝九水合物粉末置于烧杯中，并向烧杯中加入10ml乙醇，配置成2.5M的氧化铝前驱体溶液，匀速搅拌至溶液澄清得到氧化铝前驱体溶液；在室温环境下静置10min后，在完成表面等离子清洗后30min内，将配置好的氧化铝前驱体溶液通过0.22μm孔径、PES材质滤嘴的注射器滴加在第一电极层上，以4000rpm的速度在空气中旋涂40s；旋涂完毕后，置于250℃的加热板上退火1h，氧化铝前驱体溶液在第一电极层上凝固成膜，制得第一阻变层。
步骤三、亲水处理第一阻变层
在具有第一阻变层的绝缘衬底放入表面等离子清洗机的真空腔内，进行表面等离子清洗，表面等离子清洗过程时间持续45min，使得第一阻变层亲水。
步骤四、制备第二阻变层
在25℃环境下制备氧化锌前驱体溶液，具体的：取7.4372g、纯度为99.99％的硝酸锌粉六水合物置于烧杯中，并向烧杯中加入10ml乙醇，配置成2.5M的氧化锌前驱体溶液，匀速搅拌至溶液澄清得到氧化锌前驱体溶液；在室温环境下静置10min后，在完成表面等离子清洗后30min内，将配置好的氧化锌前驱体溶液通过0.22μm孔径、PES材质滤嘴的注射器滴加在第一阻变层上，以3200rpm的速度在空气中旋涂40s；旋涂完毕后，置于250℃的加热板上退火1.5h，氧化锌前驱体溶液在第一阻变层上凝固成膜，制得第二阻变层。
步骤五、制备第二电极层
将颗粒状金属材料Ag放置于热蒸发镀膜机的坩埚中，将孔径为0.1mm的掩膜板覆盖于第二阻变层表面上，掩膜板向下放入镀膜机腔体中的吸板上，关闭腔体进行热蒸发镀膜操作，将金属材料Ag镀制在第二阻变层上，形成第二电极层。
步骤六、制备保护层
将颗粒状金属材料Ni放置于热蒸发镀膜机的坩埚中，将孔径为0.1mm的掩膜板覆盖于第二电极层上，掩膜板向下放入镀膜机腔体中的吸板上，关闭腔体进行热蒸发镀膜操作，在第二电极层表面上镀制形成金属Ni保护层，得到忆阻器器件。
请参见图2，对本实施例制备得到的忆阻器进行多级存储阻变测试，以横坐标0点为分界线，正轴为SET(置位)过程，负轴为RESET(复位)过程，其电压偏置绝对值都在1V以下，器件工作电压小，能耗低，且阻变效应均保持在一定范围内，RESET过程中出现一定概率的渐变现象，器件的耐受性和稳定性也有所提高。
SET过程中，随着施加电压的不断增高，器件均显示出合适的阻变特性，存在明显的多阻变特征，且电压保持稳定。RESET过程中，随着施加电压的不断增大，器件均显示出合适的阻变特性，存在明显的阻变特征，且电流逐渐降低。这显示了该器件存在明显的多级存储功能。
相比于传统的半导体材料氧化镓等，宽禁带材料的氧化锌的氧化还原速率相对较低，器件所需要的外部电压相对较高些，这使得采用氧化锌和氧化铝制备的忆阻器件的阻值变化范围更大，所存储的数据量也就更大，多级变化的范围基本涵盖了整个高低阻的范围。
而采用氧化镓等传统半导体材料所制备的器件，由于其氧化还原速率较高，其阻值变化范围很小，导致了其多级存储特性仅仅局限于较高阻态中，很难实现全阻态范围的多级变化。
综上，1)本发明得到的忆阻器功耗小、工作电压小，工作电压的绝对值小于1V，阻值变化范围更大，所存储的数据量更大且能够实现在全阻态范围的多级变化；
2)采用纯溶液法制备，操作简单方便，成本低，设备和和原料投资较少可用于大面积制备，实现大规模工业应用；
3)实现了类人脑突触器件的多级存储功能，展示了该器件作为神经网络组成部分的重要潜能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种具有多级存储功能的突触忆阻器，其特征在于，包括绝缘衬底、形成在所述绝缘衬底上的第一电极层、形成在所述第一电极层上的第一阻变层、形成在所述第一阻变层上的第二阻变层、形成在所述第二阻变层上的第二电极层、以及形成在所述第二电极层上的保护层，所述第一阻变层的材料为氧化铝，所述第二阻变层的材料为氧化锌，以实现全阻态范围的多级变化。
2.如权利要求1所述的具有多级存储功能的突触忆阻器，其特征在于，所述第二电极层包括若干个间距排布的顶电极，所述顶电极的厚度为20-60nm，直径为0.05-0.15mm。
3.如权利要求1所述的具有多级存储功能的突触忆阻器，其特征在于，所述顶电极的材料为金属银、金属铜或金；所述保护层的材料为金属铝或金属钛。
4.如权利要求1所述的具有多级存储功能的突触忆阻器，其特征在于，所述第一电极层的材料为金属铂或氧化铟锡，所述第一电极层的厚度为50-150nm。
5.如权利要求1所述的具有多级存储功能的突触忆阻器，其特征在于，所述绝缘衬底为单层透明玻璃或三层结构，所述三层结构为自上至下依次叠层设置的钛层、二氧化硅层和硅层。
6.一种具有多级存储功能的突触忆阻器的制备方法，其特征在于，所述制备方法用以制备如权利要求1-5项中任一项所述的具有多级存储功能的突触忆阻器，所述制备方法包括：
S1、提供具有第一电极层的绝缘衬底，并对所述其进行清洗和亲水处理；
S2、利用水溶液法，在所述第一电极层上制备第一阻变层；
S3、利用水溶液法，在所述第一阻变层上制备第二阻变层；
S4、在所述第二阻变层上制备第二电极层；
S5、在所述第二电极层上制备保护层，得到具有多级存储功能的突触忆阻器。
7.如权利要求6所述的具有多级存储功能的突触忆阻器的制备方法，其特征在于，所述第一阻变层的具体制备步骤为：在20℃-30℃环境下制备氧化铝前驱体溶液，在室温环境下静置5-10min后，将所述氧化铝前驱体溶液滴于所述第一电极层上；以2000-5000rpm的速度在空气中旋涂10-60s；在250-350℃的温度下退火。
8.如权利要求6所述的具有多级存储功能的突触忆阻器的制备方法，其特征在于，所述第二阻变层的具体制备步骤为：在20℃-30℃环境下制备氧化锌前驱体溶液，在室温环境下静置5-10min后，将所述氧化锌前驱体溶液滴于所述第一阻变层上；以2000-5000rpm的速度在空气中旋涂10-60s；在250-350℃的温度下退火。
9.如权利要求6所述的具有多级存储功能的突触忆阻器的制备方法，其特征在于，所述第二电极层和保护层采用蒸发镀膜法制备得到。
10.如权利要求6所述的具有多级存储功能的突触忆阻器的制备方法，其特征在于，在所述第一阻变层上制备第二阻变层之前，所述制备方法还包括对所述第一阻变层进行亲水处理。
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