CN215955321U - 一种编译一体的忆阻器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种编译一体的忆阻器，该忆阻器包括基底，基底的顶面设有底部电极，底部电极的顶面间隔设有结构相同的两个电极结构单元，分别为第一电极单元和第二电极单元；第一电极单元自下而上依次包括介电层、界面保护层和顶部电极；介电层由光响应材料制备而成。本实用新型基于对忆阻器中电阻态进行实时可视化逻辑编译的结构设计策略，利用器件发光所产生的可视化逻辑信号，实时感知数字状态的写入或擦除；通过具有相同结构的第一电极单元和第二电极单元之间的串联，使得忆阻器在信号存储和光发射功能之间快速切换，具有忆阻器制备简单可控，高稳定信息存储、多功能化应用等特点。

Description

一种编译一体的忆阻器

技术领域

本实用新型属于电子材料技术领域，具体涉及一种编译一体的忆阻器。

背景技术

大数据时代下，随着理论算法革新以及芯片算力提升，人工智能产业将迎来革命性进步。为了满足对具有非易失性、快速存储、高容量和低功耗等特性的下一代存储设备的日益增长的需求，各种高性能的先进存储器件成为半导体行业的研究焦点。其中，忆阻器由于其多级存储属性，电阻态固有的非易失性，以及适合矩阵集成的结构等优点被认为是开发下一代数字存储和神经形态计算最具潜力的器件之一。忆阻器的存储机理是通过外界激励使得中间存储介质层展现出不同的电阻状态(高阻态(HRS)和低阻态(LRS))来实现信息的存储。其典型的电阻变化机制是基于局部缺陷浓度变化而形成或断裂具有相对高导电性的一个或多个导电细丝(conductive filaments，CF)。类似于基本布尔真和假表达式，忆阻器的HRS和LRS可以分别用来表示数字电子电路中的逻辑“0”和“1”信号。然而基于忆阻器的逻辑信号的读取依赖于外部偏置触发的串联电阻测量，使得数据传输速率受到限制。消除这一瓶颈的一种方法是构建紧凑的、多功能的忆阻器，将信号的编译和读取整合，实现编译并行读取，从而有利于进一步提高忆阻器的灵活性和集成度性能。

通过将忆阻器与发光二极管(LED)集成，通过电和光探测并行和同步地读取编码信号，相对于后端外部偏置触发的串联电阻测量实现信号读取具有更大的灵活性。LED的非接触光读出和高速光传输更是有望进一步扩展常规忆阻器的存储功能。目前已报道的可视化的存储系统均为将基于不同材料的忆阻器和LED的独立器件进行叠加集成(Adv.Opt.Mater.2016，4,1744-1749)，在器件的制造工艺、功能材料选择和界面调控等方面均具有许多限制和问题，大大影响了这种新型存储系统的实用性和普及性。因此通过开发基于同一器件结构和材料体系的新型可视化忆阻器，实现电阻态切换和光学逻辑无缝集成，对忆阻器的存储性能优化非常重要。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种编译一体的忆阻器，该忆阻器能够实现存储状态可视化，从而解决现有忆阻器存储的计算逻辑体系过于复杂引起的效率低下以及编译分离造成的智能化的自由度不足的问题。通过器件的光学信号变化来判断信号的存储状态，有效的将信号的编译和读取整合在忆阻器器件中。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种编译一体的忆阻器，包括基底，所述基底的顶面设有底部电极，所述底部电极的顶面间隔设有结构相同的两个电极结构单元，分别为第一电极单元和第二电极单元；所述第一电极单元自下而上依次包括介电层、界面保护层和顶部电极；所述介电层由光响应材料制备而成。进一步的，所述光响应材料包括CsPbI₃、CsPbBr₃、MAPbBr₃、InP、ZnS、CdSe中的至少一种。该忆阻器中的界面保护层提供了一种有效的方法来防止顶部电极制备过程中穿透，同时又减少了顶部电极和底部电极之间的电流泄漏路径的形成，提高了忆阻器器件的稳定性。

作为优选的技术方案，所述顶部电极的材质为银、铝、铂等活泼金属材料。底部电极以导电电极材料制备，包括各种金属材料(金、银、铝、铂、铜等)、氧化铟锡(indium-tin-oxide,ITO)、掺氟氧化锡(fluorine-doped tin oxide,FTO)、铝掺杂氧化锌(aluminumdoped ZnO,AZO)等。界面保护层为有机聚合物(包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)或聚乙烯醇(PVA)等)、氧化物材料(如ZnO、HfO₂或Al₂O₃等)以及稳定的二维材料(如二维BN等)材料。所述界面保护层的材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)等。所述基底为表面有SiO₂的硅片(SiO₂/Si)、纸、玻璃片、聚酰亚胺(polyimide,PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate,PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,PET)等中的一种。

上述所述的编译一体的忆阻器的制备方法，包括以下步骤：

含有底部电极的基底经过清洗、干燥后备用；在底部电极的顶面制备第一电极单元和第二电极单元，第一电极单元和第二电极单元的制备方法相同；以第一电极单元的制备为例，步骤为：将含有光响应材料的分散液旋涂在底部电极表面，烘干后形成介电层；在介电层的顶面制备一层界面保护层；在界面保护层上制备顶部电极后即得到第一电极单元；采用同样方法在底部电极的顶面制备第二电极单元，即得到目标产品。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型基于对忆阻器中电阻态进行实时可视化逻辑编译的结构设计策略，利用器件发光所产生的可视化逻辑信号，实时感知数字状态的写入或擦除；通过具有相同结构的第一电极单元和第二电极单元之间的串联，使得忆阻器在信号存储和光发射功能之间快速切换，从而提供了一种对于忆阻器存储状态编译一体的可视化读取的新策略，具有忆阻器制备简单可控，高稳定信息存储、多功能化应用等特点。

附图说明

图1为本实用新型提供的编译一体的忆阻器结构示意图；

图2为编译一体的忆阻器的工作机理。

附图标记：1-基底，2-底部电极，3-第一电极单元，301-介电层，302-界面保护层，303-顶部电极，4-第一电极单元。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参考图1，一种编译一体的忆阻器，包括基底，基底的顶面设有底部电极，底部电极的顶面间隔设有结构相同的两个电极结构单元，分别为第一电极单元和第二电极单元；第一电极单元自下而上依次包括介电层、界面保护层和顶部电极；介电层由光响应材料制备而成。作为优选的，光响应材料包括CsPbI₃、CsPbBr₃、MAPbBr₃、InP、ZnS、CdSe中的至少一种。顶部电极的材质为银、铝、铂等活泼金属材料。底部电极以导电电极材料制备，包括各种金属材料(金、银、铝、铂、铜等)，氧化铟锡(indium-tin-oxide,ITO)、掺氟氧化锡(fluorine-doped tin oxide,FTO)、铝掺杂氧化锌(aluminum doped ZnO,AZO)等。界面保护层为有机聚合物(包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)或聚乙烯醇(PVA)等)、氧化物材料(如ZnO、HfO₂或Al₂O₃等)以及稳定的二维材料(如二维BN等)材料。基底为表面有SiO₂的硅片(SiO₂/Si)、纸、玻璃片、聚酰亚胺(polyimide,PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylenenaphthalate,PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)等中的一种。

在一个实施例中，该编译一体的忆阻器的基底选用玻璃片，底部电极选用ITO，第一电极单元中的介电层、界面保护层和顶部电极的材质分别为CsPbI₃、PMMA、Ag，该忆阻器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一(清洗)：将含条状ITO电极的玻璃片放入烧杯，加入几滴Decon清洗剂和适量超纯水，超声烧杯10分钟。取出烧杯重新加超纯水冲洗至无泡沫，再加适量超纯水超声5分钟，重复2-3次。

步骤二(烘干)：将清洗完的含条状ITO电极的玻璃片用N₂枪吹干，放入真空干燥箱在120℃下烘干30min。

步骤三(UVO亲水化处理)：将含条状ITO电极的玻璃片放入UVO清洁器中(ITO电极朝上)处理30min。

步骤四(第一电极单元制备)：配置CsPbI₃溶液，然后通过磁控溅射在含条状ITO电极的玻璃片上以1000转/s的速率旋涂30s以旋涂一层CsPbI₃薄膜。并将上述旋涂完CsPbI₃薄膜的玻璃片放在烘干台上以70℃烘干2h。最后以旋涂的方式以2000转/s的速率旋涂30s以旋涂一层PMMA薄膜并在70℃烘干2h，完成PMMA/CsPbI₃层制备；

其中，配置CsPbI₃溶液的方法采用热注入法，步骤为：

首先，将0.2g的碳酸铯、0.8ml的油酸和20ml的十八烯混合在100ml的三颈圆底瓶中，在120℃的真空条件下磁性搅拌30min，直至溶液澄清，得到的油酸铯溶液在使用前存放在氮气中，温度为70℃。其次，将50ml十八烯和2.168mmol碘化铅置于500ml三颈圆底烧瓶中，真空加热至120℃搅拌1h；然后将油酸和油胺各5ml预热至70℃，在氮气条件下加入三颈圆底烧瓶中；将三颈圆底烧瓶置于120℃的真空温度中保温30分钟，直至碘化铅全部溶解。然后，在真空条件下将温度提高到170℃，保温10min，得到反应混合物。然后，将已合成的油酸铯溶液快速注入反应混合物中，10s后将三颈圆底烧瓶浸入冰浴中骤冷反应；使用乙醇使体系中制备的钙钛矿CsPbI₃量子点沉淀，最后将沉淀物重新分散在正己烷溶液中，即得钙钛矿量子点CsPbI₃溶液。

步骤五(蒸镀)：用定制的条状镂空图案的掩膜版覆盖玻璃片以控制顶部电极形状(掩模版镂空的条状图案与底部ITO条状电极的图案是在平面内呈90°夹角)，在PMMA/CsPbI₃层上蒸镀30nm厚的银金属顶电极，完成第一电极单元制备；

重复步骤四和步骤五，在ITO电极的顶面另一处位置制备第二电极单元，即得到最终的忆阻器器件。

性能检测：用半导体分析仪研究器件的电学性能，通过施加正负电压调控器件的电阻态和发光状态。

本实用新型提供的忆阻器的工作原理为：

参考图2，当在一个电极单元上施加正电荷(以第一电极单元为例)，第一电极单元中的银离子，钙钛矿CsPbI₃材料中的碘空穴会在电压刺激下发生位移，在第一电极单元中形成导电细丝，从而使得第一电极单元的电导态实现从HRS到LRS的转变，即为逻辑信息存储的0到1的转变。此时第一电极单元Ag电极上施加的正电荷通过内部形成的导电细丝进一步移动到底部的ITO电极上，来到左侧第二电极单元的ITO电极位置。而第二电极单元中顶电极(Ag电极)上施加的是负电荷，在上下电荷富集形成的电场作用下，钙钛矿CsPbI₃材料中的铯离子Cs⁺和碘离子I^-相互排斥分离，分别富集在Ag电极一侧和ITO电极一侧，进而在第二电极单元中形成p-i-n同质结，其中的电子和空穴复合，以光子的形式释放能量，从而产生发光。此时第一电极单元为逻辑存储1的状态，第二电极单元为发光状态。即为发光对应逻辑1。

而当在第一电极单元上施加负电荷，其中的导电细丝在反向电场作用下发生断裂，使得第一电极单元从LRS切换到HRS状态，表现为逻辑存储0的状态。同时由于导电细丝的断裂，第一电极单元的负电荷无法移动到左侧第二电极单元位置处的底电极中，左侧第二电极单元中的电场消失，从而发光现象消失。即为不发光对应逻辑0。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种编译一体的忆阻器，包括基底，所述基底的顶面设有底部电极，其特征在于：所述底部电极的顶面间隔设有结构相同的两个电极结构单元，分别为第一电极单元和第二电极单元；所述第一电极单元自下而上依次包括介电层、界面保护层和顶部电极；所述介电层由光响应材料制备而成。

2.根据权利要求1所述的编译一体的忆阻器，其特征在于：所述基底为表面负载有SiO₂的硅片、纸、玻璃片、聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种。

3.根据权利要求1所述的编译一体的忆阻器，其特征在于：所述底部电极的材质为金属、氧化铟锡、掺氟氧化锡或铝掺杂氧化锌。

4.根据权利要求3所述的编译一体的忆阻器，其特征在于：所述金属为金、银、铝、铂或镁。

5.根据权利要求1所述的编译一体的忆阻器，其特征在于：所述界面保护层为有机聚合物、金属氧化物或稳定的二维材料。

6.根据权利要求5所述的编译一体的忆阻器，其特征在于：所述有机聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚乙烯醇；所述金属氧化物为ZnO、HfO₂、Al₂O₃；所述稳定的二维材料为二维BN。

7.根据权利要求1所述的编译一体的忆阻器，其特征在于：所述顶部电极的材质为活泼金属。

8.根据权利要求7所述的编译一体的忆阻器，其特征在于：所述活泼金属为银、铝或铂。

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