[发明专利]一种自整流忆阻器、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种自整流忆阻器、制备方法及其应用，属于半导体器件领域。所述制备方法包括：下列步骤：(1)在底部电极表面沉积氧化物阻变层，该氧化物阻变层中掺杂至少一种金属；(2)在阻变层表面沉积与底部电极材料不同的顶部电极，得到所述自整流忆阻器。本发明采用金属掺杂的氧化物阻变层，从而改变器件的能带结构，提升器件的整流性能，抑制了大规模交叉开关阵列中的潜行电流效应，极大地提高阵列的集成度，大幅降低阵列的功耗。由此解决目前需要集成额外的器件，从而增加了交叉阵列配置的复杂度的技术问题。

技术领域

本发明属于半导体器件领域，更具体地，涉及一种自整流忆阻器、制备方法及其应用。

背景技术

随着智能化社会的进一步发展，由于可以模仿人脑的信息处理方式，近年来忆阻器在神经形态计算(Neuromorphic computing)领域受到了广泛关注，基于忆阻器构建的人工神经网络有助于实现高性能计算架构、满足信息处理算力要求。同时，作为一种新型纳米器件，忆阻器由于具有简单的三明治结构，使用交叉阵列(Crossbar)结构即可构建高密度集成的阵列，实现大规模的人工神经网络。然而交叉阵列结构在使用时存在潜行电流(Sneak-path current)效应，干扰器件阻态的读取，限制忆阻阵列的规模尺寸。目前常采用的做法是将忆阻器串联一个有源的晶体管构成1T1R(One Transistor One Resistor)单元，或用忆阻器和选择器串联构成1S1R(One Selector One Resistor)单元，但这两种做法都需要集成额外的器件，不可避免地增加了交叉阵列配置的复杂度。

因此，构建自整流(self-rectifying)忆阻器，通过器件自身的整流效应抑制潜行电流效应，具有重要的研究意义。自整流忆阻器除了具有阻变性能，还存在类似二极管的单向导通特性。器件的整流比(current rectification ratio)越大，即对器件施加相同幅值的正负电压时，正负向表现出来的电流差异越大，器件对潜行电流效应的抑制能力越强。因此，自整流忆阻器在使用交叉阵列进行集成时，不需要额外的晶体管或选择器来抑制潜行电流效应，可以极大地提高阵列的集成度，大幅降低阵列的功耗。因此，基于以上方式来抑制忆阻阵列中的潜行电流效应，有利于硬件实现大规模阵列的忆阻神经网络，具有十分巨大的应用潜力。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自整流忆阻器、制备方法及其应用，其目的在于使用金属掺杂的氧化物阻变层，从而改变器件的能带结构，提升器件的整流性能，抑制了大规模交叉开关阵列中的潜行电流效应，由此解决目前需要集成额外的器件，从而增加了交叉阵列配置的复杂度的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种自整流忆阻器的制备方法，所述方法包括下列步骤：(1)在底部电极表面沉积氧化物阻变层，该氧化物阻变层中掺杂至少一种金属；(2)在阻变层表面沉积与底部电极材料不同的顶部电极，得到所述自整流忆阻器。

优选地，铜、钽、钛、镍、钨、铪、铌、钇、锌、钴、铝、硅、锗和锆中的至少一种；所述氧化物为氧化铌、氧化钛、氧化钨、氧化锌、氧化铪和氧化铜中的一种。

优选地，所述步骤(1)中采用磁控共溅射方法沉积氧化物阻变层，在沉积氧化物的同时掺杂所述金属。

优选地，所述采用磁控共溅射方法沉积氧化物阻变层的过程，具体为：在真空环境下，向放置有底部电极的腔体中通入工作气体和氧气，工作气体和氧气的气流量之比为12:2-12:8，溅射气压为2-3mTorr，待氧化的靶材的溅射功率为90-150W，溅射时间为7-15分钟；待掺杂的金属靶材的溅射功率为21-27W，溅射时间为7-15分钟。

优选地，所述采用磁控共溅射方法沉积氧化物阻变层的过程，具体为：在真空环境下，向放置有底部电极的腔体中通入氩气和氧气，氩气和氧气的气流量之比为12:6，溅射气压为2mTorr，待氧化的铌靶材的溅射功率为138W，溅射时间为10分钟；待掺杂的铜金属靶材的溅射功率为24W，溅射时间为10分钟。