CN115148903B - 基于TaOx的金纳米周期性线阵列的可调控光电忆阻器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子信息技术领域，具体是基于TaOx的金纳米周期性线阵列的可调控光电忆阻器，包括键合有硅片的玻璃基板，所硅片的表面采用纯氩气磁控溅射沉积而成氧化铟锡膜，所述氧化铟锡膜的表面采用纯氩气磁控溅射沉积而成有铝膜，且铝膜为多孔氧化铝结构，所述铝膜的孔洞内填充有第一金纳米线，所述铝膜的上表面采用纯氩气磁控溅射沉积而成有TaOx薄膜阻变层，所述TaOx薄膜阻变层的表面电沉积有多个间隔设置的第二金纳米线，所述TaOx薄膜阻变层的表面还涂覆有PVA涂层，本发明能够实现对信息的存储同时可以通过检测电阻和光发射强度来进行电和光的读取，并通过对阻变层施加偏压实现对忆阻器状态的调控。
Description
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，具体是基于TaOx的金纳米周期性线阵列的可调控光电忆阻器。
背景技术
随着新一代人工智能信息技术的高速发展，对于处理复杂数据的速度和效率提出了越来越高的要求。忆阻器兼具逻辑和运算的功能，且在开关速度、集成面积上有许多优点，因此，利用基于忆阻器的逻辑门在模拟大脑、计算机等方面有较大的研究前景。
目前使用的人工智能工具都是基于传统的冯·诺依曼计算机实现的深度人工神经网络，它的数据处理单元和存储单元在物理上是分离的，数据传输单元是独立的，其运行受到了严重的限制。而忆阻器具有存算一体、能耗低和类突触功能等特点，可作为神经形态计算芯片的基础器件。特别是忆阻器与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺相兼容，可以大规模集成。随着对忆阻器的材料、性能以及机理方面研究的不断深入，研究者们逐渐将目光投向了纳米忆阻器的研究。金纳米棒具有独特的各向异性的光学性质又作为一种高电导率的纳米材料，在光电子等器件中得到了广泛的应用，但是现有的光电忆阻器自身工作状态检测的准确性较差，且忆阻器的调控性能不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供基于TaOx的金纳米周期性线阵列的可调控光电忆阻器，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的技术方案是：基于TaOx的金纳米周期性线阵列的可调控光电忆阻器，包括键合有硅片的玻璃基板，所硅片的表面镀设有氧化铟锡膜，所述氧化铟锡膜的表面镀设有铝膜，且铝膜为多孔氧化铝结构，所述铝膜的孔洞内填充有第一金纳米线，所述铝膜的上表面镀设有TaOx薄膜阻变层，所述TaOx薄膜阻变层的表面电沉积有多个间隔设置的第二金纳米线，所述TaOx薄膜阻变层的表面还涂覆有PVA涂层。
优选的，所述氧化铟锡膜的厚度为7nm，且氧化铟锡膜采用纯氩气磁控溅射沉积而成。
优选的，所述铝膜采用孔洞孔径为60nm、间距为50nm、高度为500nm的多孔氧化铝结构，且铝膜采用纯氩气磁控溅射沉积而成。
优选的，所述第一金纳米线的高度小于铝膜的孔洞深度，且第一金纳米线的上端面所在水平面低于铝膜的上表面所在水平面。
优选的，所述TaOx薄膜阻变层的厚度为5nm，且TaOx薄膜阻变层采用纯氩气磁控溅射沉积而成。
优选的，所述第二金纳米线的直径为60nm，间距为50nm，高度为200nm。
优选的，所述PVA涂层的厚度为100nm，且PVA涂层采用浓度为10%的PVA溶液在TaOx薄膜阻变层的表面旋涂而成。
本发明通过改进在此提供基于TaOx的金纳米周期性线阵列的可调控光电忆阻器，与现有技术相比，具有如下改进及优点：
其一：本发明将底部第一金纳米线作为底部电极，顶部第二金纳米线作为顶部电极，二者通过作为阻变层的TaOx薄膜连接形成高密度隧道结阵列，利用量子穿隧效应在纳米线的尖端产生热电子，在顶部电极第二金纳米线底部产生发射光，可用于信息的非易失性存储同时可以通过检测电阻和光发射强度来进行电和光的读取，并通过对阻变层施加电压改变TaOx薄膜阻值，可以在不改变忆阻器输入电压的情况下将忆阻器调制到低阻态到高阻态之间的任意状态。
其二：本发明利用热电子效应，将忆阻器连接偏置电压，通过监测电流与发光光谱的变化得到忆阻器工作状态，当施加的是正向电压时，器件的电阻率与正向电压存在着一定比例关系，电阻由低阻态会有一个逐渐过渡到高阻态的过程；施加电压的同时可在顶部电极的金纳米线底部记录发射光光谱，随着施加电压的变化，记录的光谱也随之变化；在从低阻态到高阻态的过程中隧道结的写入状态可以通过电和光学方式读取，可同时应用于电子系统和光电子系统中。而对阻变层连接的电极施加电压可以在不改变忆阻器输入电压的情况下将忆阻器调制到低阻态到高阻态之间的任意状态，实现对高低阻态的连续可调。
其三：本发明利用忆阻器与生物突触具有的天然相似性，高密度隧道结阵列与人脑突触密度接近，顶部电极对应突触前膜，阻变层对应突触间隙，底部电极对应突触后膜，对阻变层施加电压继而引发出电阻的变化，并对整个忆阻器调控，其不同电阻大小对应着生物突触的不同权重，可模拟对突触间隙的调控。
其四：本发明利用金纳米棒良好的导电性与光学性质应用于忆阻器，与传统纯电忆阻器相比，本发明能满足电忆阻器功能的同时进行光学检测，大大提高了对忆阻器工作状态检测的准确性；利用电沉积法制备金纳米线阵列，制备方法简单、成本低、可大面积制备，制得的隧道结阵列密度、直径、周期可调。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释：
图1a-图1g为本发明的制作流程图；
图2是本发明的截面示意图；
图3是本发明的俯视图；
图4是本发明测试的I-V曲线图；
图5是本发明测试的发光强度和调控中间态的曲线图；
图6是本发明的样品实物图。
具体实施方式
下面对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明通过改进在此提供基于TaOx的金纳米周期性线阵列的可调控光电忆阻器，本发明的技术方案是：
基于TaOx的金纳米周期性线阵列的可调控光电忆阻器，包括键合有硅片的玻璃基板，所硅片的表面镀设有氧化铟锡膜，具体的，首先配置浓度为5%的氢氟酸溶液，将键合有硅片的玻璃基板置入浸泡去除硅片表面氧化物，随后用丙酮、乙醇和去离子水依次进行15分钟超声清洗，并用高纯氮气进行干燥，在硅片上用纯氩气磁控溅射沉积7nm厚氧化铟锡用作粘合剂层和弱导电层。
所述氧化铟锡膜的表面镀设有铝膜，且铝膜为多孔氧化铝结构，具体的，通过磁控溅射将350nm厚的铝膜沉积在氧化铟锡膜上，如图1a所示，接着在40V的0.3M草酸中分两步进行阳极氧化来合成多孔氧化铝结构，在初始阳极氧化工艺之后，在70°C下的H3PO4（3.5％）和CrO3（20gL-1）的溶液中蚀刻除去形成的不良有序多孔层，再次进行阳极氧化；接着将样品置于30mM NaOH溶液中蚀刻，扩大多孔氧化铝结构的孔径并去除阻挡层，如图1b所示。
所述铝膜的孔洞内填充有第一金纳米线，具体的，使用非氰化物电镀液通过三电极系统进行金的电沉积，形成底部的第一金纳米线，如图1c所示，接着用IBE刻蚀机短暂刻蚀（约15s）使第一金纳米线略低于多孔氧化铝结构的上表面，如图1d所示。
所述铝膜的上表面镀设有TaOx薄膜阻变层，具体的，在气压为10mTorr，通入氩气、氧气流量比例为12：2，功率为140W的条件下通过磁控溅射50s制得TaOx薄膜阻变层，如图1e所示。
所述TaOx薄膜阻变层的表面电沉积有多个间隔设置的第二金纳米线，具体的，将镀设有TaOx薄膜阻变层的样品继续放在非氰化物电镀液通过三电极系统进行金的电沉积，形成第二金纳米线，第二金纳米线作为顶部电极，如图1f所示。
所述TaOx薄膜阻变层的表面还涂覆有PVA涂层，用于将顶部电极第二金纳米线与TaOx薄膜阻变层隔开，同时具有优异的透光性便于对发光光谱的检测，具体的，将沉积有第二金纳米线的样品表面滴上10%的PVA溶液并旋涂至100nm，自然晾干得到PVA涂层，如图1g所示，其样品实物图如图6所示。
将底部第一金纳米线作为底部电极，顶部第二金纳米线作为顶部电极，二者通过作为阻变层的TaOx薄膜连接形成高密度隧道结阵列，且二者与TaOx薄膜形成的隧穿结的直径和密度可通过阳极氧化的多孔氧化铝结构控制调整，具体的情况由本领域技术人员实验可得，利用量子穿隧效应在纳米线的尖端产生热电子，在顶部电极第二金纳米线底部产生发射光，可用于信息的非易失性存储同时可以通过检测电阻和光发射强度来进行电和光的读取，并通过对阻变层施加电压改变TaOx薄膜阻值，可以在不改变忆阻器输入电压的情况下将忆阻器调制到低阻态到高阻态之间的任意状态，如图5所示。
利用热电子效应，将忆阻器连接偏置电压，通过监测电流与发光光谱的变化得到忆阻器工作状态，如图4所示，当施加的是正向电压时，器件的电阻率与正向电压存在着一定比例关系，电阻由低阻态会有一个逐渐过渡到高阻态的过程。施加电压的同时可在顶部电极的金纳米线底部记录发射光光谱，随着施加电压的变化，记录的光谱也随之变化。在从低阻态到高阻态的过程中隧道结的写入状态可以通过电和光学方式读取，可同时应用于电子系统和光电子系统中。而对阻变层连接的电极施加电压可以在不改变忆阻器输入电压的情况下将忆阻器调制到低阻态到高阻态之间的任意状态，实现对高低阻态的连续可调。此项特性可运用于存储、突触的传输特性的研究中。
利用忆阻器与生物突触具有的天然相似性，高密度隧道结阵列与人脑突触密度接近，顶部电极对应突触前膜，阻变层对应突触间隙，底部电极对应突触后膜。对阻变层施加电压继而引发出电阻的变化，并对整个忆阻器调控，其不同电阻大小对应着生物突触的不同权重，可模拟对突触间隙的调控。
本发明利用金纳米棒良好的导电性与光学性质应用于忆阻器，与传统纯电忆阻器相比，本发明能满足电忆阻器功能的同时进行光学检测，大大提高了对忆阻器工作状态检测的准确性；利用电沉积法制备金纳米线阵列，制备方法简单、成本低、可大面积制备，制得的隧道结阵列密度、直径、周期可调；通过对阻变层施加偏置电压可改变阻变层阻值，在不改变输入电压的情况下可将忆阻器调制到任意过渡状态。
上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.基于TaOx的金纳米周期性线阵列的可调控光电忆阻器，其特征在于：包括键合有硅片的玻璃基板，所硅片的表面镀设有氧化铟锡膜，所述氧化铟锡膜的表面镀设有铝膜，且铝膜为多孔氧化铝结构，所述铝膜的孔洞内填充有第一金纳米线，所述铝膜的上表面镀设有TaOx薄膜阻变层，所述TaOx薄膜阻变层的表面电沉积有多个间隔设置的第二金纳米线，所述TaOx薄膜阻变层的表面还涂覆有PVA涂层。
2.根据权利要求1所述的基于TaOx的金纳米周期性线阵列的可调控光电忆阻器，其特征在于：所述氧化铟锡膜的厚度为7nm，且氧化铟锡膜采用纯氩气磁控溅射沉积而成。
3.根据权利要求1所述的基于TaOx的金纳米周期性线阵列的可调控光电忆阻器，其特征在于：所述铝膜采用孔洞孔径为60nm、间距为50nm、高度为500nm的多孔氧化铝结构，且铝膜采用纯氩气磁控溅射沉积而成。
4.根据权利要求1所述的基于TaOx的金纳米周期性线阵列的可调控光电忆阻器，其特征在于：所述第一金纳米线的高度小于铝膜的孔洞深度，且第一金纳米线的上端面所在水平面低于铝膜的上表面所在水平面。
5.根据权利要求1所述的基于TaOx的金纳米周期性线阵列的可调控光电忆阻器，其特征在于：所述TaOx薄膜阻变层的厚度为5nm，且TaOx薄膜阻变层采用纯氩气磁控溅射沉积而成。
6.根据权利要求1所述的基于TaOx的金纳米周期性线阵列的可调控光电忆阻器，其特征在于：所述第二金纳米线的直径为60nm，间距为50nm，高度为200nm。
7.根据权利要求1所述的基于TaOx的金纳米周期性线阵列的可调控光电忆阻器，其特征在于：所述PVA涂层的厚度为100nm，且PVA涂层采用浓度为10%的PVA溶液在TaOx薄膜阻变层的表面旋涂而成。
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