CN115697033A

CN115697033A - 一种自整流忆阻器及其制备方法

Info

Publication number: CN115697033A
Application number: CN202211393196.6A
Authority: CN
Inventors: 李祎; 任升广; 缪向水
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2022-11-08
Filing date: 2022-11-08
Publication date: 2023-02-03

Abstract

本发明提供一种自整流忆阻器及其制备方法，包括：衬底、第一电极、阻态切换层、势垒阻挡层以及第二电极；阻态切换层包括一层金属化合物层或者多层金属化合物层；势垒阻挡层包括一层金属化合物层或者多层金属化合物层，且阻态切换层和势垒阻挡层不同时只包括一层金属化合物层；第二电极功函数大于第一电极功函数；当阻态切换层或势垒阻挡层包括多层金属化合物层，沿着第一电极到第二电极的方向各层金属化合物层的空位浓度由高到低梯度变化；阻态切换层中金属化合物层的空位浓度最低值大于势垒阻挡层中金属化合物层的空位浓度最高值。本发明使得自整流忆阻器可以在低阻值区域或者高阻值区域均能具有多个中间状态，即多重电导值。

Description

一种自整流忆阻器及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子器件领域，更具体地，涉及一种自整流忆阻器及其制备方法。

背景技术

忆阻器，作为一种新兴的存储器件，以其结构和工艺简单、操作简便、高密度、低功耗、高速、与CMOS工艺兼容等优势，成为后摩尔时代新型存储器的有利竞争者之一。

由于在大规模忆阻器阵列中，以漏电流为典型代表的各种非理性因素严重损害了阵列的整体性能，并且限制了忆阻器阵列的规模。因此研究人员设计出了一系列方案来抑制阵列中的漏电流，如一个忆阻器级联一个晶体管1T1R、一个忆阻器级联一个选通管1S1R、一个忆阻器级联一个二极管1D1R、互补型忆阻器CRS及自整流忆阻器SRM等等，由于不需要引入额外的非线性器件、具有更简单的结构、有利于大规模以及三维集成、具有更低的功耗等等优势，自整流忆阻器深受研究人员的青睐。

此外，面向神经形态计算和复杂存内计算的任务，由于权重通常具有多比特特性，往往需要器件具有良好的电导可调制特性，要保证器件具有多个稳定的电导态，从而利用忆阻器阵列来映射权重矩阵。

因此，有必要提供一种具有多值特性潜力的自整流忆阻器及其制备方法，来同时解决上述阵列中漏电流问题以及电导可调制需求等问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种自整流忆阻器及其制备方法，旨在解决大规模忆阻器阵列中的漏电流以及面向神经形态计算和复杂存内计算任务时的电导可调制特性需求等问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种自整流忆阻器，由下至上依次包括：衬底、第一电极、阻态切换层、势垒阻挡层以及第二电极；

所述阻态切换层包括一层金属化合物层或者多层金属化合物层；

所述势垒阻挡层包括一层金属化合物层或者多层金属化合物层，且所述阻态切换层和势垒阻挡层不同时只包括一层金属化合物层；

所述第二电极的功函数大于第一电极的功函数；

当所述阻态切换层包括多层金属化合物层，沿着第一电极到第二电极的方向各层金属化合物层的空位浓度由高到低梯度变化；

当所述势垒阻挡层包括多层金属化合物层，沿着第一电极到第二电极的方向各层金属化合物层的空位浓度由高到低梯度变化；

所述阻态切换层中金属化合物层的空位浓度最低值大于势垒阻挡层中金属化合物层的空位浓度最高值。

需要说明的是，本发明通过高功函数的第二电极层与势垒阻挡层之间形成一个较高的肖特基势垒，而第一电极层与阻态切换层之间功函数相差较小，甚至是形成类欧姆接触，从而实现第一电极和第二电极两端势垒差异化，实现较好的自整流特性。

可以理解的是，本发明通过阻态切换层具有多层金属化合物层使得忆阻器在低阻值状态能够具备多重电导态，通过势垒阻挡层具有多层金属化合物层使得忆阻器在高阻值状态能够具备多重电导态。

在一个可能的示例中，若阻态切换层包括多层金属化合物层，势垒阻挡层仅包括一层金属化合物层，则当所述第二电极被施加正向偏压时，阻态切换层内的空位进入势垒阻挡层内并在势垒阻挡层内形成第一导电细丝，势垒阻挡层的阻值呈指数倍降低，压降重新分配，主要分配在阻态切换层内靠近势垒阻挡层侧的若干层金属化合物层内，诱导压降层内的空位朝着第一电极方向移动，使所述若干层金属化合物层内形成第二导电细丝，自整流忆阻器由高阻值状态转变为低阻值状态；

若所述正向偏压的电压值继续增加，则压降主要分配在阻态切换层内距离第二导电细丝相对较近的金属化合物层上，使得压降层内的空位朝着第一电极的方向进一步移动，第二导电细丝的长度朝着第一电极方向延长，自整流忆阻器低阻值状态的电阻降低；所述正向偏压的电压值增加越多，所述第二导电细丝延长的长度越长，所述自整流忆阻器低阻值状态的电阻值越低，所述自整流忆阻器可随正向偏压变化处于低阻值状态的多重电导态。

在一个可能的示例中，若势垒阻挡层包括多层金属化合物层，阻态切换层仅包括一层金属化合物层，则当所述第二电极被施加正向偏压时，阻态切换层内的空位进入势垒阻挡层内，沿着第一电极至第二电极的方向依次在势垒阻挡层的各金属化合物层内形成第一导电细丝，当第一导电细丝贯穿势垒阻挡层后，势垒阻挡层的阻值呈指数倍降低，压降重新分配，并在阻态切换层逐渐形成第二导电细丝，使得自整流忆阻器由高阻值状态转变为低阻值状态；

当势垒阻挡层包括多层金属化合物层，阻态切换层仅包括一层金属化合物层，所述自整流忆阻器处于低阻值状态以及所述第二电极被施加负向偏压时，压降首先落在势垒阻挡层中靠近第二电极的若干层金属化合物层上，使得压降层内的导电细丝断裂，自整流忆阻器转变为高阻值状态；在自整流忆阻器转变为高阻值状态后，当所述负向偏压的电压值继续增加，压降分配在靠近导电细丝断裂层的金属化合物层上，使得第一导电细丝沿着第二电极到第一电极的方向进一步断裂，自整流忆阻器高阻值状态的电阻增加，所述负向偏压的电压值增加越多，所述第一导电细丝断裂的长度越长，所述自整流忆阻器高阻值状态的电阻值越高，所述自整流忆阻器可随负向偏压变化处于高阻值状态的多重电导态。

在一个可能的示例中，若势垒阻挡层包括多层金属化合物层，且阻态切换层包括多层金属化合物层，则当所述第二电极被施加正向偏压时，阻态切换层内的空位进入势垒阻挡层内，沿着第一电极至第二电极的方向依次在势垒阻挡层的各金属化合物层内形成第一导电细丝，当第一导电细丝贯穿势垒阻挡层后，势垒阻挡层的阻值呈指数倍降低，压降重新分配，主要分配在阻态切换层内靠近势垒阻挡层侧的若干层金属化合物层内，诱导压降层内的空位朝着第一电极方向移动，使所述若干层金属化合物层内形成第二导电细丝，自整流忆阻器由高阻值状态转变为低阻值状态；

若所述正向偏压的电压值继续增加，则压降主要分配在阻态切换层内距离第二导电细丝相对较近的金属化合物层上，使得压降层内的空位朝着第一电极的方向进一步移动，第二导电细丝的长度朝着第一电极方向延长，自整流忆阻器低阻值状态的电阻降低；所述正向偏压的电压值增加越多，所述第二导电细丝延长的长度越长，所述自整流忆阻器低阻值状态的电阻值越低，所述自整流忆阻器可随正向偏压变化处于低阻值状态的多重电导态；

若势垒阻挡层包括多层金属化合物层，阻态切换层包括多层金属化合物层且自整流忆阻器处于低阻值状态，则当第二电极被施加负向偏压时，压降首先落在势垒阻挡层中靠近第二电极的若干层金属化合物层上，使得压降层内的导电细丝断裂，自整流忆阻器转变为高阻值状态；在自整流忆阻器转变为高阻值状态后，当所述负向偏压的电压值继续增加，压降分配在靠近导电细丝断裂层的金属化合物层上，使得第一导电细丝沿着第二电极到第一电极的方向进一步断裂，自整流忆阻器高阻值状态的电阻增加，所述负向偏压的电压值增加越多，所述第一导电细丝断裂的长度越长，所述自整流忆阻器高阻值状态的电阻值越高，所述自整流忆阻器可随负向偏压变化处于高阻值状态的多重电导态。

在一个可能的示例中，所述空位为氧空位或者氮空位。

在一个可能的示例中，该忆阻器还包括：隔离层；

所述隔离层置于阻态切换层和势垒阻挡层的周围。

第二方面，本发明提供了一种自整流忆阻器的制备方法，包括如下步骤：

S1、制备衬底；

S2、在衬底上图形化第一电极；

S3、在图形化的第一电极处沉积第一电极薄膜；

S4、在第一电极薄膜上沉积隔离层薄膜；

S5、光刻形成隔离层薄膜上的预设区域；

S6、选择性刻蚀第一电极薄膜上预设区域的隔离层薄膜，直至完全暴露出预设区域内的第一电极图形；

S7、在暴露的第一电极上沉积阻态切换层；所述阻态切换层包括一层金属化合物层或者多层金属化合物层；

S8、在阻态切换层上沉积势垒阻挡层；所述势垒阻挡层包括一层金属化合物层或者多层金属化合物层，且所述阻态切换层和势垒阻挡层不同时只包括一层金属化合物层；

S9、在势垒阻挡层上图形化第二电极；

S10、在图形化的第二电极处沉积第二电极薄膜；

所述第二电极薄膜的功函数大于第一电极薄膜的功函数；当所述阻态切换层包括多层金属化合物层，沿着第一电极到第二电极的方向各层金属化合物层的空位浓度由高到低梯度变化；当所述势垒阻挡层包括多层金属化合物层，沿着第一电极到第二电极的方向各层金属化合物层的空位浓度由高到低梯度变化；所述阻态切换层中金属化合物层的空位浓度最低值大于势垒阻挡层中金属化合物层的空位浓度最高值。

在一个可能的示例中，所述阻态切换层和势垒阻挡层均由物理气相沉积法或者化学气相沉积法中的一种方法沉积。

在一个可能的示例中，所述阻态切换层或势垒阻挡层采用物理气相沉积法沉积时，通过控制空位元素气体的通入量、气压和反应功率来沉积具有不同空位浓度的金属化合物层。

在一个可能的示例中，所述阻态切换层或势垒阻挡层采用化学气相沉积法沉积时，通过控制惰性气体的吹扫时间、反应脉冲和反应温度来沉积具有不同空位浓度的金属化合物层。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提出的自整流忆阻器通过高功函数的第二电极层与势垒阻挡层之间形成一个较高的肖特基势垒，而第一电极层与阻态切换层之间功函数相差较小，甚至是形成类欧姆接触，从而实现第一电极和第二电极两端势垒差异化，实现较好的自整流特性。

(2)本发明提供的自整流忆阻器具有良好的电导可调制特性，通过对阻态切换层或者势垒阻挡层进行多层空位浓度梯度分布的设计，使得器件可以在低阻值区域或者高阻值区域均能具有多个中间状态，即多重电导值。

(3)本发明提供的自整流忆阻器及其制备方法，能够应用于大规模、高密度二维或者三维集成阵列中，且能够用于执行神经形态计算和存内计算任务，该制备方法简单高效，适宜推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的具有N1层的阻态切换层和具有一层的势垒阻挡层的自整流忆阻器结构示意图；

图2为本发明实施例提供的具有4层的阻态切换层和具有一层的势垒阻挡层的自整流忆阻器在初始状态下的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的自整流忆阻器的制备工艺流程图；

图4为本发明实施例提供的具有4层的阻态切换层和具有一层的势垒阻挡层的自整流忆阻器在外加正向偏压下的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的具有4层的阻态切换层和具有一层的势垒阻挡层的自整流忆阻器在外加正向偏压下的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的具有4层的阻态切换层和具有一层的势垒阻挡层的自整流忆阻器在外加正向偏压下的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的具有4层的阻态切换层和具有一层的势垒阻挡层的自整流忆阻器在外加正向偏压下的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的具有4层的阻态切换层和具有一层的势垒阻挡层的自整流忆阻器在外加正向偏压下的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的具有4层的阻态切换层和具有一层的势垒阻挡层的自整流忆阻器在外加负向偏压下的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的自整流忆阻器能带原理图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：101为自整流忆阻器的衬底；102为自整流忆阻器的第一电极；103为自整流忆阻器的隔离层；104为自整流忆阻器的阻态切换层；105为自整流忆阻器的势垒阻挡层；106为自整流忆阻器的第二电极；114为自整流忆阻器的第一层阻态切换层；124为自整流忆阻器的第二层阻态切换层；134为自整流忆阻器的第三层阻态切换层；144为自整流忆阻器的第四层阻态切换层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，各项具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

为实现本发明的目的，第一方面，本发明提供了一种自整流忆阻器，参见图1所示，该忆阻器包括：衬底101、第一电极102、隔离层103、阻态切换层104、势垒阻挡层105以及第二电极106。

更进一步具体地，所述衬底为硅基衬底，可以为Si单质、SiO₂、Si₃N₄、SiC、Si和SiO₂或Si₃N₄或SiC的叠层，或者ITO、柔性衬底材料中的一种。

更进一步具体地，所述第一电极的材料功函数小于或等于4.5eV，所述第一电极材料由一种或者多种材料组成，如金属单质、Si单质、掺杂Si的金属单质和导电金属化合物等中的一种或多种。

更进一步具体地，所述第二电极的材料功函数大于4.5eV，所述第二电极材料由一种或者多种材料组成，如金属单质、Si单质、掺杂Si的金属单质和导电金属化合物等中的一种或多种。

更进一步具体地，所述隔离层材料为氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅、氧化铝、氧化铪、氮化铝或者其他高介电常数的材料中的一种或者多种。

更进一步具体地，所述阻态切换层材料可以为一元金属氧化物或者二元金属氧化物中的一种，如氧化铪、氧化铝、氧化钽、氧化钛、氧化钨、氧化锌、氧化锆、氧化钼、氧化铜、氧化铁、氧化镁、锂钽氧、锂铁氧、锂硅氧等等。

更进一步具体地，所述势垒阻挡层材料可以为一元金属氧化物或者二元金属氧化物中的一种，如氧化铪、氧化铝、氧化钽、氧化钛、氧化钨、氧化锌、氧化锆、氧化钼、氧化铜、氧化铁、氧化镁、锂钽氧、锂铁氧、锂硅氧等等。

更进一步具体地，所述阻态切换层只具有一层或者具有N1层，其中N1≥2。

参见图2所示，以N1＝4为例进行举例说明，阻态切换层104包括第一层阻态切换层114、第二层阻态切换层124、第三层阻态切换层134以及第四层阻态切换层144。

更进一步具体地，对于所述具有N1层的阻态切换层，其中每一层的空位浓度具有固定值，且N1层之间呈现空位浓度从高到低或者从低到高的梯度变化。

更进一步具体地，对于所述具有N1层的阻态切换层，每一层阻态切换层的材料体系完全相同。

更进一步具体地，所述势垒阻挡层只具有一层或者具有N2层，其中N2≥2。

更进一步具体地，对于所述具有N2层的势垒阻挡层，其中每一层的空位浓度具有固定值，且N2层之间呈现空位浓度从高到低或者从低到高的梯度变化。

更进一步具体地，对于所述具有N2层的势垒阻挡层，每一层势垒阻挡层的材料体系完全相同。

更进一步具体地，所述阻态切换层和势垒阻挡层不同时只具有一层。

更进一步具体地，对于只具有一层的阻态切换层和具有N2层的势垒阻挡层情况，所述阻态切换层中的空位浓度含量高于势垒阻挡层中空位浓度最高层中的空位浓度含量。

更进一步具体地，对于具有N1层的阻态切换层和只具有一层的势垒阻挡层情况，所述阻态切换层中空位浓度最低层中的空位浓度含量高于势垒阻挡层中的空位浓度含量。

更进一步具体地，对于具有N1层的阻态切换层和具有N2层的势垒阻挡层情况，所述阻态切换层中空位浓度最低层中的空位浓度含量高于势垒阻挡层中空位浓度最高层中的空位浓度含量。

更进一步具体地，所述空位为氧空位或者氮空位。

更进一步地，以氧空位为例，同时以具有N1层的阻态切换层和只具有一层的势垒阻挡层情况为例进行分析：

具体地，初始状态下，所述自整流处于高阻值状态；

更进一步具体地，若阻态切换层包括多层金属氧化物层，势垒阻挡层层仅包括一层金属氧化物层，则当所述第二电极被施加正向偏压时，若阻态切换层包括多层金属氧化物层，势垒阻挡层仅包括一层金属氧化物层，则阻态切换层内的氧空位进入势垒阻挡层内并在势垒阻挡层内形成第一导电细丝，势垒阻挡层的阻值呈指数倍降低，压降重新分配，逐渐诱导氧空位浓度更低的阻态切换层逐渐形成第二导电细丝，所述第一导电细丝和第二导电细丝组成完整导电细丝连接第一电极和第二电极，使得自整流忆阻器由高阻值状态转变为低阻值状态；

在自整流忆阻器转变为低阻值状态后，当所述正向偏压的电压值逐渐增加，空位持续向第一电极侧迁移，使得第二导电细丝的长度增加，所述自整流忆阻器在低阻值状态的阻值逐渐减小；所述自整流忆阻器低阻值状态的电阻值由所述正向偏压的大小调控，可随正向偏压变化处于低阻值状态的多重电导态；

若阻态切换层包括多层金属氧化物层，势垒阻挡层层仅包括一层金属氧化物层，则当所述自整流忆阻器处于低阻值状态且所述第二电极被施加负向偏压时，压降首先落在势垒阻挡层，导致第一导电细丝熔断，使得自整流忆阻器由低阻值状态转变为高阻值状态。

具体地，若势垒阻挡层包括多层金属氧化物层，阻态切换层仅包括一层金属氧化物层，则当所述第二电极被施加正向偏压时，阻态切换层内的空位进入势垒阻挡层内，并在势垒阻挡层内形成第一导电细丝，势垒阻挡层的阻值呈指数倍降低，压降重新分配，并在阻态切换层逐渐形成第二导电细丝，所述第一导电细丝和第二导电细丝组成完整导电细丝连接第一电极和第二电极，使得自整流忆阻器由高阻值状态转变为低阻值状态；

若势垒阻挡层包括多层金属氧化物层，阻态切换层仅包括一层金属氧化物层，则当所述自整流忆阻器处于低阻值状态且所述第二电极被施加负向偏压时，压降首先落在阻值最高，即初始空位浓度最低的势垒阻挡层上，使得该层的导电细丝断裂，器件回到高阻值状态；

在自整流忆阻器转变为高阻值状态后，当所述负向偏压的电压值逐渐增加，较低初始空位浓度的势垒阻挡层内的导电细丝逐渐断裂，使得第一导电细丝的长度减小，所述自整流忆阻器在高阻值状态的阻值逐渐增加；所述自整流忆阻器高阻值状态的电阻值由所述负向偏压的大小调控，可随负向偏压变化处于高阻值状态的多重电导态。

具体地，若势垒阻挡层包括多层金属氧化物层，且阻态切换层包括多层金属氧化物层，则当所述第二电极被施加正向偏压时，阻态切换层内的氧空位进入势垒阻挡层内并在势垒阻挡层内形成第一导电细丝，势垒阻挡层的阻值呈指数倍降低，压降重新分配，逐渐诱导氧空位浓度更低的阻态切换层逐渐形成第二导电细丝，所述第一导电细丝和第二导电细丝组成完整导电细丝连接第一电极和第二电极，使得自整流忆阻器由高阻值状态转变为低阻值状态；

若势垒阻挡层包括多层金属氧化物层，且阻态切换层包括多层金属氧化物层，则当所述自整流忆阻器处于低阻值状态且所述第二电极被施加负向偏压时，压降首先落在阻值最高，即初始空位浓度最低的势垒阻挡层上，使得该层的导电细丝断裂，器件回到高阻值状态；

更进一步地，从界面势垒的角度分析：

具体地，初始状态下，所述自整流忆阻器处于高阻值状态，自整流忆阻器的第一电极和阻态切换层之间界面的肖特基势垒很低，甚至可以形成类欧姆接触；由于自整流忆阻器的势垒阻挡层内部缺陷浓度(空位浓度)很低，第二电极和势垒阻挡层之间的界面会呈现出一个很高的肖特基势垒；

更进一步具体地，对自整流忆阻器的第二电极施加正向偏压后，电子从第一电极向第二电极迁移，在此迁移过程中，第一电极和阻态切换层之间界面的肖特基势垒很低，不会对电子起到明显的阻碍作用，电子可以较为容易地完成迁移，所述自整流忆阻器从高阻态切换至低阻态；

此后，向第二电极施加负向偏压后，电子需要完成从第二电极向第一电极迁移的过程，由于第二电极和势垒阻挡层之间界面的肖特基势垒很高，会明显阻碍电子的迁移，因此流经自整流忆阻器的电流不会明显增加，起到整流的效果；然而，此过程中，自整流忆阻器的阻态切换层和势垒阻挡层中的电子会在外加电场的作用下从其相应的位置释放出来，迁移至第一电极，此过程电子的迁移不会受到任何势垒的影响，自整流忆阻器从低阻态切换回高阻态。

第二方面，本发明提供了一种如上述第一方面提供的自整流忆阻器的制备方法，如图3所示，工艺流程如下：

S1、衬底准备；

S2、在衬底上图形化第一电极；

S3、沉积第一电极薄膜；

S4、在第一电极薄膜上沉积隔离层薄膜；

S5、光刻形成隔离层薄膜上的预设区域；

S6、选择性刻蚀第一电极薄膜上预设区域的隔离层薄膜，直至完全暴露出第一电极图形；

S7、在第一电极上沉积阻态切换层；

S8、在第一功能层上沉积势垒阻挡层；

S9、图形化第二电极；

S10、沉积第二电极薄膜。

更进一步具体地，所述沉积第一电极薄膜由物理气相沉积法或者化学气相沉积法完成。

更进一步具体地，所述沉积第二电极薄膜由物理气相沉积法或者化学气相沉积法完成。

具体地，所述图形化第一电极和图形化第二电极均由光刻技术完成。

具体地，所述隔离层由化学气相沉积法或者物理气相沉积法中的一种方法沉积。

具体地，所述阻态切换层由物理气相沉积法或者化学气相沉积法中的一种方法沉积。

在一个可选的示例中，采用物理气相沉积法沉积具有N1层的阻态切换层时，通过控制空位元素气体的通入量(氧化物则控制Ar：O₂比，增大比例则空位就多，反之则少；氮化物则控制Ar：N₂比)、气压和反应功率来沉积具有不同空位浓度的N1层阻态切换层；

在一个可选的示例中，采用化学气相沉积法沉积具有N1层的阻态切换层时，通过控制惰性气体的吹扫时间、反应脉冲和反应温度来沉积具有不同空位浓度的N1层阻态切换层。

更进一步具体地，所述只具有一层的阻态切换层的厚度不超过50纳米；所述具有N1层的阻态切换层中，每一层的厚度均不超过20纳米。

具体地，所述势垒阻挡层由物理气相沉积法或者化学气相沉积法中的一种方法沉积。

在一个可选的示例中，采用物理气相沉积法沉积具有N2层的势垒阻挡层时，通过控制空位元素气体的通入量(氧化物则控制Ar：O₂比，增大比例则空位就多，反之则少；氮化物则控制Ar：N₂比)、气压和反应功率来沉积具有不同空位浓度的N2层势垒阻挡层；

在一个可选的示例中，采用化学气相沉积法沉积具有N2层的势垒阻挡层时，通过控制惰性气体的吹扫时间、反应脉冲和反应温度来沉积具有不同空位浓度的N2层势垒阻挡层。

更进一步具体地，所述只具有一层的势垒阻挡层的厚度不超过50纳米；所述具有N2层的势垒阻挡层中，每一层的厚度均不超过20纳米。

更进一步具体地，所述自整流忆阻器的特征尺寸为10纳米至1000微米。

更进一步具体地，所述第一电极薄膜的厚度为10纳米至1000纳米。

更进一步具体地，所述第二电极薄膜的厚度为10纳米至1000纳米。

更进一步具体地，所述第一电极和第二电极的图形尺寸不小于10微米。

更进一步具体地，所述第一忆阻器的隔离层薄膜和第二忆阻器的隔离层薄膜的厚度相同，为10纳米至1000纳米。

本发明实施例提供了一种同质双层的多功能忆阻器实现方案，结合上述附图，接下来将详细叙述本发明的实施例：

实施例：

本发明实施例提供一种具有电导可调制特性潜力的自整流忆阻器及其制备方法，器件结构为Ta/TaO_X/HfO₂/Pt，其中第一电极为Ta，阻态切换层为TaO_X，势垒阻挡层为HfO₂，第二电极层为Pt，隔离层为SiO₂，阻态切换层TaO_X具有四层，势垒阻挡层HfO₂只具有一层。具体制备工艺流程如下(未描述清洗和剥离过程)：

1、提前准备好Si/SiO₂衬底的底片。

2、采用极紫外光刻技术在衬底上光刻第一电极图形；

3、采用直流磁控溅射，功率50～100W，氩气流量40～80sccm，气压维持在0.4～0.8Pa，靶材为金属Ta，沉积50～100nm厚度的Ta电极；

4、采用PECVD沉积100nm的SiO₂作为隔离层；

5、采用电子束光刻技术图形化待刻蚀的底电极区域和器件区域；

6、采用ICP刻蚀隔离层，暴露出底电极区域，且形成尺寸为100nm～500nm的硅通孔结构；

7、采用射频磁控溅射，功率80～120W，靶材为Ta₂O₅，气压维持在0.5～0.8Pa，先采用Ar:O₂＝30:10的气体氛围，沉积5～10nm的TaO_y1；再采用Ar:O₂＝20:10的气体氛围，沉积5～10nm的TaO_y2；接着采用Ar:O₂＝10:10的气体氛围，沉积5～10nm的TaO_y3；最后采用Ar:O₂＝10:20的气体氛围，沉积5～10nm的TaO_y4。最终形成具有四层的阻态切换层TaO_X。

8、采用原子层沉积，吹扫时间1～5s，反应温度250～300℃，沉积一层厚度为5～20nm的势垒阻挡层HfO₂。

9、采用极紫外光刻技术套刻第二电极图形；

10、采用直流磁控溅射，功率30～60W，氩气流量40～80sccm，气压维持在0.4～0.8Pa，靶材为金属Pt，沉积50～100nm厚度的Pt电极。

在此实施例中，我们选取具有四层的阻态切换层和只具有一层的势垒阻挡层的组合。

如图2所示，为Ta/TaO_X/HfO₂/Pt结构自整流忆阻器处于初始状态的结构示意图；

如图4所示，当对Pt电极逐渐施加正向偏压时，压降主要分配在阻值更高的势垒阻挡层上，导电细丝首先在势垒阻挡层中形成，当导电细丝完全贯穿势垒阻挡层时，势垒阻挡层的阻值呈指数倍降低，器件进入低阻值状态；

如图5所示，当对Pt电极继续施加正向偏压时，压降主要分配在阻值更高的第四层的阻态切换层上，导电细丝延伸至第四层的阻态切换层中，并产生处于低阻值区域的第一电导态；

如图6所示，当对Pt电极继续施加正向偏压时，压降主要分配在阻值更高的第三层的阻态切换层上，导电细丝延伸至第三层的阻态切换层中，并产生处于低阻值区域的第二电导态；

如图7所示，当对Pt电极继续施加正向偏压时，压降主要分配在阻值更高的第二层的阻态切换层上，导电细丝延伸至第二层的阻态切换层中，并产生处于低阻值区域的第三电导态；

如图8所示，当对Pt电极继续施加正向偏压时，压降主要分配在阻值更高的第一层的阻态切换层上，导电细丝延伸至第一层的阻态切换层中，同时连通第一电极和第二电极，并产生处于低阻值区域的第四电导态；

如图9所示，当对Pt电极施加较大的负向偏压时，势垒阻挡层中的导电细丝熔断，器件回到高阻值状态；

如图10所示，为Ta/TaO_X/HfO₂/Pt结构自整流忆阻器的能带结构示意图，Pt和HfO₂界面会产生一个较大的肖特基势垒，而Ta和TaO_X界面会形成类欧姆接触，这种在上下电极两侧形成的巨大的势垒不对称性会使得器件具有较强的自整流特性，同时由于此类器件具有较好的电导可调制特性，从而使得这类器件可以很好的应用到大规模和高密度阵列，及其相关的神经形态计算和复杂存内计算任务当中，具有极大地应用前景。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种自整流忆阻器，其特征在于，由下至上依次包括：衬底、第一电极、阻态切换层、势垒阻挡层以及第二电极；

所述第二电极的功函数大于第一电极的功函数；

2.根据权利要求1所述的自整流忆阻器，其特征在于，若阻态切换层包括多层金属化合物层，势垒阻挡层仅包括一层金属化合物层，则当所述第二电极被施加正向偏压时，阻态切换层内的空位进入势垒阻挡层内并在势垒阻挡层内形成第一导电细丝，势垒阻挡层的阻值呈指数倍降低，压降重新分配，主要分配在阻态切换层内靠近势垒阻挡层侧的若干层金属化合物层内，诱导压降层内的空位朝着第一电极方向移动，使所述若干层金属化合物层内形成第二导电细丝，自整流忆阻器由高阻值状态转变为低阻值状态；

3.根据权利要求1所述的自整流忆阻器，其特征在于，若势垒阻挡层包括多层金属化合物层，阻态切换层仅包括一层金属化合物层，则当所述第二电极被施加正向偏压时，阻态切换层内的空位进入势垒阻挡层内，沿着第一电极至第二电极的方向依次在势垒阻挡层的各金属化合物层内形成第一导电细丝，当第一导电细丝贯穿势垒阻挡层后，势垒阻挡层的阻值呈指数倍降低，压降重新分配，并在阻态切换层逐渐形成第二导电细丝，使得自整流忆阻器由高阻值状态转变为低阻值状态；

4.根据权利要求1所述的自整流忆阻器，其特征在于，若势垒阻挡层包括多层金属化合物层，且阻态切换层包括多层金属化合物层，则当所述第二电极被施加正向偏压时，阻态切换层内的空位进入势垒阻挡层内，沿着第一电极至第二电极的方向依次在势垒阻挡层的各金属化合物层内形成第一导电细丝，当第一导电细丝贯穿势垒阻挡层后，势垒阻挡层的阻值呈指数倍降低，压降重新分配，主要分配在阻态切换层内靠近势垒阻挡层侧的若干层金属化合物层内，诱导压降层内的空位朝着第一电极方向移动，使所述若干层金属化合物层内形成第二导电细丝，自整流忆阻器由高阻值状态转变为低阻值状态；

5.根据权利要求1至4任一项所述的自整流忆阻器，其特征在于，所述空位为氧空位或者氮空位。

6.根据权利要求1至4任一项所述的自整流忆阻器，其特征在于，还包括：隔离层；

所述隔离层置于阻态切换层和势垒阻挡层的周围。

7.一种自整流忆阻器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、制备衬底；

S2、在衬底上图形化第一电极；

S3、在图形化的第一电极处沉积第一电极薄膜；

S4、在第一电极薄膜上沉积隔离层薄膜；

S5、光刻形成隔离层薄膜上的预设区域；

S9、在势垒阻挡层上图形化第二电极；

S10、在图形化的第二电极处沉积第二电极薄膜；

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述阻态切换层和势垒阻挡层均由物理气相沉积法或者化学气相沉积法中的一种方法沉积。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述阻态切换层或势垒阻挡层采用物理气相沉积法沉积时，通过控制空位元素气体的通入量、气压和反应功率来沉积具有不同空位浓度的金属化合物层。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述阻态切换层或势垒阻挡层采用化学气相沉积法沉积时，通过控制惰性气体的吹扫时间、反应脉冲和反应温度来沉积具有不同空位浓度的金属化合物层。