CN214226946U - 一种性能可调控且稳定性高的阻变存储器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种性能可调控且稳定性高的阻变存储器，包括自下而上依次设置的衬底、底电极、阻变层和顶电极，阻变层是掺杂有Al的Ta2O5薄膜，其厚度为5‑200nm，底电极和顶电极分别为金属W和Au，衬底材料为Ti/SiO2/Si；本实用新型通过铝元素对Ta2O5掺杂，通过掺杂改变Ta2O5中氧空位的形成能和扩散势垒能，进而改变氧空位扩散激活能，实现对氧空位的扩散激活能的调控，进而对器件的工作电压进行调控，降低工作电压，并提高阻变存储器的阻态保持性能的性能。
Description
技术领域：
本实用新型涉及存储器技术领域，特别是涉及一种性能可调控且稳定性高的阻变存储器。
背景技术：
人脑神经能够摆脱传统冯诺依曼计算机瓶颈限制，并行处理大量的实时数据任务，在模式识别、图像思维、联想记忆等方面显示出巨大的优势。如何从人脑神经系统中得到启发，构造新型电子神经器件，搭建类人脑神经系统电路，成为首要解决的任务和当前研究热点。目前基于忆阻器的类脑神经模拟研究还处于初始阶段，国际上研究人员主要是将具有存储功能的忆阻器作为电子突触器件并实现突触可塑性这一人脑认知的关键功能，并取得了一系列开创性进展。
神经元传输的信号称为神经脉冲或者动作电位，大多数细胞的动作电位在-10-100mV之间。哺乳动物的神经细胞的动作电位为-70mV，骨骼肌细胞为-90mV，人的红细胞为-10mV。目前性能优良的金属氧化物器件的操作电压大部分也在0.5-5V之间，而生物神经元对信息处理的电位只有几十毫伏。这种差距将非常不利于类脑神经元模拟和大规模类脑神经网络的应用。
实用新型内容：
本实用新型所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种通过在Ta2O5薄膜中掺杂Al，形成阻变层，降低了氧离子在Ta2O5中的扩散势垒，及阻变存储器的工作电压，并提高阻变存储器的阻态保持性能的性能可调控且稳定性高的阻变存储器。
本实用新型的技术方案是：一种性能可调控且稳定性高的阻变存储器，包括自下而上依次设置的衬底、底电极、阻变层和顶电极，其特征是：所述阻变层是掺杂有Al的Ta2O5薄膜，其厚度为5-200nm。
进一步的，所述阻变层的厚度为10nm-50nm。
进一步的，所述底电极和顶电极分别为金属W和Au。
进一步的，所述底电极的厚度为10nm-50nm。
进一步的，所述顶电极的厚度为50-200nm。
进一步的，所述衬底材料为Ti/SiO2/Si。
进一步的，所述阻变层中Al的摩尔掺杂浓度为1%-10%。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型通过在Ta2O5薄膜中掺杂Al，形成阻变层，降低了氧离子在Ta2O5中的扩散势垒，及阻变存储器的工作电压，并提高阻变存储器的阻态保持性能的性能。
2、本实用新型通过铝元素对Ta2O5掺杂，通过掺杂改变Ta2O5中氧空位的形成能和扩散势垒能，进而改变氧空位扩散激活能，实现对氧空位的扩散激活能的调控，进而对器件的工作电压进行调控，制备工艺简单，易于操作，得到的器件工作电压低，能够应用于大规模电子突触。
附图说明：
图1性能可调控且稳定性高的阻变存储器的结构示意图；
图2 未掺杂阻变层Ta2O5阻变存储器W/Ta2O5/Au 电流-电压测试结果图；
图3 掺杂Al阻变层Ta2O5阻变存储器W/Ta2O5:Al/Au 电流-电压测试结果图；
图4 Ta2O5结构示意图及扩散路径示意图；
图5 Al掺杂Ta2O5氧空位形成能随掺杂浓度变化的结果图；
图6 Al掺杂Ta2O5扩散势垒随掺杂浓度变化的结果图；
具体实施方式：
实施例：参见图1、图2、图3、图4、图5和图6，图中，1-衬底，2-底电极，3-阻变层，4-顶电极。
性能可调控且稳定性高的阻变存储器，包括自下而上依次设置的衬底、底电极、阻变层和顶电极，阻变层是掺杂有Al的Ta2O5薄膜，其厚度为5-200nm，底电极和顶电极分别为金属W和Au，衬底材料为Ti/SiO2/Si；通过铝元素对Ta2O5掺杂，通过掺杂改变Ta2O5中氧空位的形成能和扩散势垒能，进而改变氧空位扩散激活能，实现对氧空位的扩散激活能的调控，进而对器件的工作电压进行调控，降低工作电压，并提高阻变存储器的阻态保持性能的性能。
下面结合附图和实施例对本申请进行详细描述。
实施例一：
衬底、底电极、阻变层和顶电极自下而上依次设置，其中，阻变层是掺杂有Al的Ta2O5薄膜，其厚度为5nm，Al的摩尔掺杂浓度为1%；底电极和顶电极分别为金属W和Au，底电极的厚度为10nm，顶电极的厚度为50nm；衬底材料为Ti/SiO2/Si。
实施例二：
衬底、底电极、阻变层和顶电极自下而上依次设置，其中，阻变层是掺杂有Al的Ta2O5薄膜，其厚度为10nm，Al的摩尔掺杂浓度为3%；底电极和顶电极分别为金属W和Au，底电极的厚度为20nm，顶电极的厚度为80nm；衬底材料为Ti/SiO2/Si。
实施例三：
衬底、底电极、阻变层和顶电极自下而上依次设置，其中，阻变层是掺杂有Al的Ta2O5薄膜，其厚度为20nm，Al的摩尔掺杂浓度为5%；底电极和顶电极分别为金属W和Au，底电极的厚度为30nm，顶电极的厚度为120nm；衬底材料为Ti/SiO2/Si。
实施例四：
衬底、底电极、阻变层和顶电极自下而上依次设置，其中，阻变层是掺杂有Al的Ta2O5薄膜，其厚度为50nm，Al的摩尔掺杂浓度为7%；底电极和顶电极分别为金属W和Au，底电极的厚度为40nm，顶电极的厚度为150nm；衬底材料为Ti/SiO2/Si。
实施例五：
衬底、底电极、阻变层和顶电极自下而上依次设置，其中，阻变层是掺杂有Al的Ta2O5薄膜，其厚度为200nm，Al的摩尔掺杂浓度为10%；底电极和顶电极分别为金属W和Au，底电极的厚度为50nm，顶电极的厚度为200nm；衬底材料为Ti/SiO2/Si。
本实用新型所述的阻变存储器采用如下方法制备而成（具体以实施例3的参数进行制备），包括如下步骤：
步骤1：Ti/SiO2/Si衬底1清洗；
步骤2：使用电子束蒸发一层Au薄膜，形成底电极2，具体沉积参数为：真空度为5×10-4Pa，轰击电流为150mA，基底温度为180℃，基片转速6r/s，电子束电压6kV。
步骤3：利用射频磁控溅射技术，使用Al掺杂的Ta2O5靶材在Au薄膜上沉积Ta2O5:Al薄膜，并遮挡部分区域作为底电极；厚度为20nm；沉积工艺为：沉积前，腔室真空度在1×10-5Pa；沉积过程中：腔室气压保持在3Pa，氧分压控制在10%，沉积温度200℃，沉积功率75W，沉积时间25分钟，形成阻变层3。
步骤4：使用磁控溅射技术，在阻变层3上沉积一层金属W，形成顶电极4。沉积技术为射频磁控溅射，初始真空度5×10-4Pa，工作气体为纯度99.99%的氩气，溅射功率均为200W，工作气压1.0Pa，溅射沉积30分钟获得W薄膜。形成顶电极4。如图1所示。
对制备的阻变存储器进行测试，测试结果如图3所示。测试结果表明该阻变存储器的正向电阻转变电压在0.3V左右，负向电阻状态转变电压在-0.5V左右。
按照上述步骤和参数制作未掺杂的阻变储存器，形成对比例，不同的是，阻变存储器中，使用未掺杂的Ta2O5靶材在Au薄膜上沉积Ta2O5薄膜，形成阻变层3，形成未掺杂的阻变存储器。
对制备的未掺杂的阻变存储器进行测试，测试结果如图2所示。测试结果表明该阻变存储器的电阻正向转变电压在0.8V左右，负向转变电压在-2V左右。
测试结果表明，通过对阻变层Ta2O5进行Al掺杂，正向和负向的电阻转变电压具有明显降低。
对Ta2O5:Al的氧空位形成能进行了第一性原理计算，计算模型是4*2*3的超胞，超胞中一共有96个Ta原子，240个氧原子。计算模型如图4所示。图4小原子代表氧原子，大原子代表钽原子，3f代表与氧原子成键的有3个Ta，2f代表与氧原子成键的有2Ta。3f位置的0价氧空位（3f-0）的形成能和2f位置0价氧空位（2f-0）形成能均随着Al的掺杂而降低，下降幅度在4eV以上。
对Ta2O5:Al的氧空位扩散势垒进行了理论计算，计算结果如图5所示。氧空位按照3f1-3f2-2f1-3f3扩散路径进行计算。图中的0Al-0jia代表掺杂浓度为0的Ta2O5中0价氧空位的扩散势垒，1Al-0jia代表用Al替换96个Ta原子中的一个。计算得到的氧空位形成能。类似的，2Al-0jia，3Al-0jia，4Al-0jia分别代表替换其中的2个，3个，4个Ta原子而得到的掺杂浓度。计算结果表明，随着掺杂浓度增加，氧空位扩散势垒逐渐变大，从3f1-3f2路径中，可以看出，扩散势垒从未掺杂的0Al-0价的0.2eV变为掺杂浓度为4Al-0价的0.6eV，增加0.4eV。其他扩散路径扩散势垒均有所增加，增加幅度为0.2eV-0.5eV。
阻变存储器实现存储数据的物理基础是阻变层的电阻状态实现高阻态和低阻态，分别对应二进制的“0”和“1”。低阻态对应着阻变存储器中导电通道的形成，高阻态对应导电通道的断开。导电通道是氧空位形成的具有高导电性的微观通道。在形成导电通道之前，氧空位是随机分布在阻变层中，形成导电通道靠的是氧空位的移动或扩散，氧空位从一个晶格氧位置扩散到临近晶格氧位置所需要的能量为扩散激活能。扩散激活能等于氧空位形成与扩散势垒之和。根据以上的分析可知，掺杂之后，氧空位扩散激活能显著降低。
使用时，按照现有阻变储存器的使用方式进行使用即可。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种性能可调控且稳定性高的阻变存储器，包括自下而上依次设置的衬底、底电极、阻变层和顶电极，其特征是：所述阻变层是掺杂有Al的Ta2O5薄膜，其厚度为5-200nm。
2.根据权利要求1所述的性能可调控且稳定性高的阻变存储器，其特征是：所述阻变层的厚度为10nm-50nm。
3.根据权利要求1所述的性能可调控且稳定性高的阻变存储器，其特征是：所述底电极和顶电极分别为金属W和Au。
4.根据权利要求3所述的性能可调控且稳定性高的阻变存储器，其特征是：所述底电极的厚度为10nm-50nm。
5.根据权利要求3所述的性能可调控且稳定性高的阻变存储器，其特征是：所述顶电极的厚度为50-200nm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的性能可调控且稳定性高的阻变存储器，其特征是：所述衬底材料为Ti/SiO2/Si。
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