[发明专利]一种离子掺杂的宽禁带半导体忆阻器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种离子掺杂的宽禁带半导体忆阻器及其制备方法，忆阻器由上电极、势垒调制层、离子掺杂层及下电极构成，势垒调制层采用宽禁带半导体，离子掺杂层为包含碱金属或碱土金属离子的功能层，忆阻器通过调控离子掺杂层中碱金属或碱土金属离子迁移至势垒调制层的浓度，改变上电极与势垒调制层之间的肖特基势垒，实现低能耗、大范围的阻值连续调节。其本质是一种具有界面势垒调节机制的多值存储忆阻器，工作原理为：离子迁移入该层，在宽禁带半导体中引入杂质能级，降低界面的肖特基势垒和宽禁带半导体电阻率，实现忆阻器件的阻值变化；通过控制迁移至势垒调制层中的离子浓度，调节肖特基势垒逐渐变化，使器件展现出阻值连续线型变化。

技术领域

本发明属于神经形态计算器件领域，更具体地，涉及一种离子掺杂的宽禁带半导体忆阻器及其制备方法。

背景技术

神经形态系统就是指用硬件的方法(可能需结合软件)构造的以神经元和突触为基本单元的类脑计算系统。神经形态系统具有简单的运算单元、分布式存储和运算、高度互连的网络，能近似模拟生物神经网络的行为。1971年蔡少棠教授提出了忆阻器的概念，到2008年惠普实验室才声称使用二氧化钛层叠加在两个Pt电极之间实现了记忆电阻器的物理装置，而且发现该器件有极大强力用于构造突触。此外，忆阻器比传统的互补式金属氧化物半导体器件在尺寸缩小和功耗上有着不可比拟的优势。忆阻器是一种两端器件，在结构上跟生物突触相似。而且，在模拟生物突触的功能时，一般将忆阻器的电导当作突触的权值。忆阻器的电导越大，表示突触传输信号的效率(突触权值)越大，反之则越小。因此，忆阻器可以依靠外加电压激励下实现金属连续的可逆阻值变化，并且撤出电压后可以保持其阻态，实现数据的非易失存储，通过控制外加电压型号将阻值变化和突触权值对应，即可事项突触功能。

目前，忆阻器主要分为氧化物忆阻器、固体电解质忆阻器、有机聚合物忆阻器、氮化物忆阻器等。其中，氧化物忆阻器具有结构简单、材料组分容易控制、与CMOS兼容等优点，受到了广泛关注和研究。然而，金属-氧化物-金属构型忆阻器存在忆阻行为不稳定、可控性差、读/写噪声大等问题，限制了其在类脑计算器件中应用。而基于离子迁移的氧化物忆阻器具有稳定性好、离子浓度易于控制等特点，在神经形态应用方面表现出很大的潜力。杨玉超等人发明了一种线性缓变忆阻器，利用扩散调制层调节氧离子的扩散速率，实现阻值连续线性变化。黄安平等人发明了一种离子型忆阻器，基于离子迁移产生的忆阻效应和穿过隧穿层是的隧穿效应，实现忆阻器的多值存储。Ting-Chang Chang等人对双离子效应引起的硅酸锂电阻随机存取存储器(RRAM)器件复位过程进行了研究和探讨，结果表明，除氧离子外，锂离子还参与电阻开关过程。由于双重化学反应，高阻态在大范围内随机分布。

虽然上述研究实现了多值储存等要求，但神经形态系统要求突触要能存储不同的权值，突触权值能按照一定规则进行更新(可塑性)，而突触数量又非常大，这就对人工突触提出了严苛的要求。目前的研究在阻值动态调节范围、连续性、线性度以及功耗等性能方面，或多或少不能满足突触苛刻的要求。

发明内容

针对现有技术忆阻器件在神经形态计算中存在的问题，本发明提出了一种离子掺杂的宽禁带半导体忆阻器及其制备方法，通过调控碱金属或碱土金属离子的迁移过程，改变上电极与半导体之间的肖特基势垒，实现低能耗、大范围的阻值连续调节，可应用于神经形态计算。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种离子掺杂的宽禁带半导体忆阻器，所述忆阻器由上电极、势垒调制层、离子掺杂层及下电极构成，所述势垒调制层采用宽禁带半导体，所述离子掺杂层为包含碱金属或碱土金属离子的功能层，所述忆阻器通过调控所述离子掺杂层中碱金属或碱土金属离子迁移至所述势垒调制层的浓度，改变所述上电极与所述势垒调制层之间的肖特基势垒，实现低能耗、大范围的阻值连续调节。

本发明中离子掺杂层为包含碱金属或碱土金属离子的功能层，基于碱金属或碱土金属离子迁移产生忆阻效应。

本发明通过控制势垒调制层中离子掺杂浓度，来调节界面势垒，从而实现阻值的连续变化。