[发明专利]基于pn异质结构的忆阻器及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属于信息存储技术领域，具体涉及一种pn异质结构的忆阻器及其制备方法。

背景技术

近年来，对生物神经突触功能的仿生模拟逐渐成为研究热点。在传统神经突触仿生器件研究中，往往需要多个晶体管及电容实现对单个突触的功能模拟，这样造成了人工神经网络电路设计的复杂性及高能耗。而且会导致每个单片中突触的数量限制在大约10²-10⁵, 远远低于人类大脑中10¹⁴的量级。这样很大程度上限制了生物神经突触功能的仿生模拟。

忆阻器是除电阻器、电容器、电感器之外的第四种基本无源电子器件。蔡少棠最早在20世纪70年代在研究电荷、电流、电压和磁通量之间关系时推断出这种元件的存在。直到2008年惠普实验室才首次通过TiO₂双层膜结构来实现忆阻器原型器件，此后，忆阻器因其新颖特性成为电子、材料、信息等领域的研究热点，并在非线性电路、新型存储、逻辑运算和人工智能等领域展现出巨大应用潜力。忆阻器的电阻可随流经的电量而发生动态的连续改变，这与人脑位细胞（神经突触）的非线性传输特性高度相似，且单个忆阻器即是具有自主学习能力，可实现对单个突触学习/记忆功能的模拟，可用于开发具有自主学习能力的智能器件。近年来，忆阻器对生物神经突触功能的仿生模拟逐渐成为研究热点。放电时间依赖的可塑性(STDP)被认为是重要神经突触功能，它也不断地被多个实验组利用单一的忆阻器件进行了成功的模拟。

然而，到目前为止，忆阻器的研究尚处起步阶段，构筑忆阻器的物理模型较为有限。进一步设计和完善忆阻器材料与模型对提升神经突触仿生模拟的准确性、扩充“无机神经突触器件”的功能有积极推动作用。目前基于金属氧化物的忆阻器主要有两种模型，一类是“导电前端移动”模型：通过施加电压，是器件内部氧空位发生迁移，进而改变两层薄膜氧空位的浓度。而氧空位的迁移导致高低阻层厚度在器件中所占比例发生变化，从而实现器件电阻的可调性。另一类是“导电细丝数量变化”模型：阻值调节基于单层薄膜中导电细丝数目（或有效截面）的变化，其中导电细丝同样由氧空位相互连接组成。以上两类模型中往往需要依赖于绝缘或半绝缘材料，有可能限制器件初始状态的选择，且忆阻性质的调控空间与灵活性有待拓展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的pn异质结构忆阻器及其制备方法，通过调节pn结耗尽层宽度来实现对电阻的记忆，这样有效地增加了器件对不同导电性的p型和n型材料选择，同时也增加了对忆阻性能调控的灵活性。

本发明具体技术方案如下：

一种基于pn异质结构忆阻器，包括上电极和下电极，在上、下电极之间插入n型和p型氧化层的组合，如图1，其中上电极和下电极为惰性金属薄膜（例如Au，Pt），与上、下电极接触的n型氧化层（例如ZnO，TiO₂），p型氧化层（例如CuAlO₂，NiO）。

本发明还提供了上述pn异质结构忆阻器的制备方法，其制备包括如下步骤：

1）             在200纳米惰性金属Pt衬底上用磁控溅射的方法室温生长p型氧化物薄膜，厚度在50-100纳米之间；

2）             在p型氧化物薄膜的上面，用磁控溅射的方法室温生长n型氧化物薄膜，厚度在50-100纳米之间；

3）             在n型氧化物薄膜上蒸度Pt，Au惰性金属电极，厚度在100-200纳米之间，这就构成了pn异质结忆阻器。

此pn异质结构忆阻器的工作原理如下：图8展示了其忆阻模型；

当正向偏压作用在底电极时（p型氧化物一侧），带负电的氧离子在外加电场的作用下，从n区跨过界面迁移进入p区，在p区形成负电中心（阳离子空位），在n区留下正电中心（氧空位）。致使pn 结区内的带电中心数量都会增加，导致耗尽层宽度窄化，结区电阻降低。当正偏压撤除后，在内建电场驱动下，氧离子或载流子的反向迁移可导致带电中心数量减少，耗尽层宽度将会恢复至一定宽度（但并非初始状态）。此宽度的调节致使阻值的变化，实现了忆阻器的“记忆”。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.电阻的记忆与弛豫过程受耗尽层宽度、内建电场强度等因素的调节，增加了忆阻性能调控的灵活性；

2.对材料电学性质的选择性较弱，绝缘材料、半绝缘材料、强p型、强n型均可以作为pn结型忆阻器件的备选材料。