可重构的异质结忆阻器、调控方法、制备方法及其应用

技术领域

本发明属于微纳米电子器件领域，更具体地，涉及可重构的异质结忆阻器、调控方法、制备方法及其应用。

背景技术

忆阻器按照电导的变化方式，可分为模拟型忆阻器和数字型忆阻器。数字型忆阻器有明显的阈值电压和大开关比，状态保持能力好，可作为存储器或选通器。而模拟型忆阻器的电阻可随着外加信号的调控，连续的增大和减小，模拟神经突触可塑性并存储突触权重，可用于计算单元。

在忆阻神经网络结构中，混合使用模拟型和数字型器件，可以获得精度和速度连续可调的图像识别过程。在单一器件中同时存在模拟型和数字型忆阻器，为实现可调控的神经形态学习提供了一个可行的方案，促进类脑型形态计算的发展。

然而，目前在异质结型忆阻器的研究中，还没有实现多阻态特性的模拟型和数字型忆阻器共存。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供可重构的异质结忆阻器、调控方法、制备方法及其应用，旨在实现异质结忆阻器的多阻态特性的模拟型和数字型忆阻器共存的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种可重构的异质结忆阻器，包括自下而上依次叠加的衬底、下电极、异质结中间层和上电极；

所述异质结中间层包括：与下电极接触的N型氧化层，与上电极接触的P型氧化层；

所述N型氧化层为过氧化银，所述P型氧化层为氧化银；

或者，所述N型氧化层为过氧化铜，所述P型氧化层为氧化铜。

优选地，所述N型氧化层的厚度为3nm-200nm。

优选地，所述P型氧化层的厚度为3nm-200nm。

优选地，所述下电极和上电极均为惰性电极，厚度为2nm-200nm。

为实现上述目的，第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述可重构的异质结忆阻器的调控方法，包括：

模拟型向数字型重构：下电极接地，对与P型氧化层接触的上电极施加一定时间的正偏压，从而导致氧化银层/氧化铜层发生氧化还原反应，并在N型氧化层和上电极之间形成Ag导电丝/Cu导电丝，通过导电丝的通断实现器件开或关两个数字状态；

数字型向模拟型重构：下电极接地，对与P型氧化层接触的上电极施加一定时间的负偏压，从而导致N型氧化层和上电极之间的Ag导电丝/Cu导电丝断裂并恢复到模拟型，基于电荷俘获与释放展现出多值阻变的模拟特性。

优选地，所述模拟型的忆阻器工作电压范围在﹣1V到1V之间，所述数字型的忆阻器工作电压范围在﹣0.5V到0.5V之间。

优选地，所述忆阻器从模拟型向数字型转换施加电压大于1.2V，施加时间大于1s。

优选地，所述忆阻器从数字型向模拟型转换施加电压小于﹣0.8V，施加时间大于1s。

为实现上述目的，第三方面，本发明提供了一种如第一方面所述可重构的异质结忆阻器的制备方法，包括：

(1)将衬底材料分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中，超声清洗后，再用氮气吹干；

(2)利用磁控溅射、分子束外延、原子层沉积、脉冲激光沉积或电化学的方法，在衬底上依次制备下电极、异质结中间层和上电极；

(3)将样品分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中，再用氮气干燥样品。

为实现上述目的，第四方面，本发明提供了一种如第一方面所述的可重构的异质结忆阻器的应用，所述异质结忆阻器应用于类脑神经元计算或阈值开关。

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)本发明公开一种可重构的异质结忆阻器，异质结中间层包括：与下电极接触的N型氧化层，与上电极接触的P型氧化层；所述N型氧化层为过氧化银，所述P型氧化层为氧化银；或者，所述N型氧化层为过氧化铜，所述P型氧化层为氧化铜。本发明设计的功能层以n-AgO和p-Ag

(2)本发明公开一种模拟-数字可重构异质结忆阻器的调控方法，在小偏压下扫描时异质结忆阻器I-V特性表现为模拟型忆阻器，而当外加一定时间的正向大偏压时，P型氧化层中的Ag离子/Cu离子会在电场作用下往阴极方向迁移，在靠近阴极处被还原，并形成Ag导电丝/Cu导电丝，从而该器件转变为由Ag导电丝/Cu导电丝主导的数字型忆阻器。而在外加一定时间的负向大偏压时，则会发生逆向反应，导致Ag导电丝/Cu导电丝断裂，从而器件再次由数字型重构为模拟型忆阻器。本发明通过电化学原理实现N型氧化层和P型氧化层的PN异质结器件在自整流模拟型器件和数字型器件之间的模拟-数字可重构，器件结构简单，且适用于多种形式的存内计算，具有广阔应用前景。

附图说明

图1是本发明提供的一种可重构的异质结忆阻器膜层结构示意图。

图2是本发明实施例1提供的模拟-数字可重构忆阻器的模拟型向数字型重构原理示意图。

图3是本发明实施例1提供的模拟-数字可重构忆阻器的数字型向模拟型重构原理示意图。

图4是本发明实施例2提供的忆阻器表现为模拟型忆阻器时连续电压扫描下的线性I-V曲线图，插图为电流对数I-V曲线图。

图5是本发明实施例2提供的忆阻器表现为模拟型忆阻器时连续电压扫描下的单次双对数I-V曲线图。

图6是本发明实施例2提供的忆阻器经正偏压处理重构为数字型忆阻器后连续电压扫描下的线性I-V曲线图。

图7是本发明实施例2提供的忆阻器在幅值2V，脉宽0.5μs，频率1kHz的50个连续脉冲扫描下的全波段曲线图。

图8是本发明实施例2提供的忆阻器在幅值-2V，脉宽0.5μs，频率1kHz的50个连续脉冲扫描下的全波段曲线图。

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：

1-衬底，2-下电极，3-N型氧化层，4-P型氧化层，5-上电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供了一种可重构的异质结忆阻器，包括自下而上依次叠加的衬底1、下电极2、异质结中间层和上电极5；所述异质结中间层包括：与下电极接触的N型氧化层3，与上电极接触的P型氧化层4；所述N型氧化层为过氧化银，所述P型氧化层为氧化银；或者，所述N型氧化层为过氧化铜，所述P型氧化层为氧化铜。

优选地，所述N型氧化层的厚度为3nm-200nm。

优选地，所述P型氧化层的厚度为3nm-200nm。

优选地，所述下电极和上电极均为惰性电极，厚度为2nm-200nm。惰性电极为Pt、ITO、Ti、W、Au、Pd、n-Si、p-Si。

本发明提供了一种上述可重构的异质结忆阻器的调控方法，包括：

模拟型向数字型重构：下电极接地，对与P型氧化层接触的上电极施加一定时间的正偏压，从而导致氧化银层/氧化铜层发生氧化还原反应，并在N型氧化层和上电极之间形成Ag导电丝/Cu导电丝，通过导电丝的通断实现器件开或关两个数字状态；

数字型向模拟型重构：下电极接地，对与P型氧化层接触的上电极施加一定时间的负偏压，从而导致N型氧化层和上电极之间的Ag导电丝/Cu导电丝断裂并恢复到模拟型，基于电荷俘获与释放展现出多值阻变的模拟特性。

优选地，所述模拟型的忆阻器工作电压范围在﹣1V到1V之间，所述数字型的忆阻器工作电压范围在﹣0.5V到0.5V之间。

优选地，所述忆阻器从模拟型向数字型转换施加电压大于1.2V，施加时间大于1s。

优选地，所述忆阻器从数字型向模拟型转换施加电压小于﹣0.8V，施加时间大于1s。

本发明提供了一种上述可重构的异质结忆阻器的制备方法，包括：

(1)将衬底材料分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中，超声清洗后，再用氮气吹干；

(2)利用磁控溅射、分子束外延、原子层沉积、脉冲激光沉积或电化学的方法，在衬底上依次制备下电极、异质结中间层和上电极；

(3)将样品分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中，再用氮气干燥样品。

本发明提供了一种上述可重构的异质结忆阻器的应用，所述异质结忆阻器应用于类脑神经元计算或阈值开关。

实施例1

本实施例为五层平面结构的忆阻器单元，上下电极均采用Pt，具体制备工艺如下：

(1)选取晶面指数(100)、厚度为500μm的硅片，在其表面热生长一层1μm厚的SiO

(2)取清洗干净的样片，利用磁控溅射在其表面生长一层100nm左右的下电极Pt，即下电极。为了增加Pt电极层与衬底的粘附性，也可先采用直流溅射Ti粘附层约10nm，然后再用直流溅射Pt靶材，溅射功率为200W，Ar气氛围为0.5Pa，溅射1000s。

(3)利用磁控溅射制备AgO/Ag

(4)通过光刻工艺在介质层Ag

(5)在光刻处理后的样片上利用磁控溅射生长100nm的Pt层，溅射功率为200W，Ar气氛围为0.5Pa，溅射1000s，即可得到上电极。

(6)在步骤(5)所制备出的薄膜样品放在丙酮中浸泡30-50分钟，再用无水乙醇和去离子水清洗，用氮气干燥样品。

完成上述步骤后，即制备出Pt/AgO/Ag

如图2所示，在小偏压下扫描时Pt/AgO/Ag

如图3所示，在外加一定时间的负向大偏压时，则会发生逆向反应，导致Ag导电丝断裂，从而Pt/AgO/Ag

实施例2

在本实施例中，均采用半导体器件分析仪B1500对实施例1所制备的忆阻器单元进行直流下的I/V扫描与脉冲下的高速开关特性测试。

图4是本发明实施例提供的Pt/AgO/Ag

图5是本发明实施例提供的Pt/AgO/Ag

图6是本发明实施例提供的Pt/AgO/Ag

图7是本发明实施例提供的Pt/AgO/Ag

图8是本发明实施例提供的Pt/AgO/Ag

基于以上电学测量，可以发现，(1)该忆阻器在模拟型时基于电荷俘获与释放进行多值阻变，可实现模拟突触功能；(2)Ag

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。