[发明专利]一种基于铁电材料的忆阻器件及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于铁电材料的忆阻器件及其制备方法和应用，通过布设底电极、阻变层、顶电极，并对其厚度、材质进行限定，能够提高阻变层及整个忆阻器件的导电性和稳定性。其中，所述阻变层为铁电材料，通过对该忆阻器件进行不同的限流测试，可得到不同阻态，使得忆阻器件阻态更稳定且可用于三值存储和三值逻辑计算。本发明提供的忆阻器件，基于忆阻器内部导通的不可预测性，该忆阻器件的导通电压较为分散，表现出良好的随机性，且导通时阻值急剧减少，便于检测，可用于发生随机数，能够应用于构造随机数发生器，其应用前景广阔。

技术领域

本发明涉及一种基于铁电材料的忆阻器件及其制备方法和应用，属于铁电存储技术领域。

背景技术

忆阻器是表示磁通与电荷关系的二端口非线性无源电子器件。它基于电阻转变效应，能够记忆流经的电荷量，具有结构简单、易于集成、擦写速度快、功耗低、可与CMOS(互补金属氧化物半导体)兼容组成hybrid混合单元等优势。

忆阻器的研究主要由所采用的材料体系划分，目前最为成熟的是基于氧化物材料的体系，其工作机理主要依赖离子、氧空位在电场作用下迁移和聚集。显然，基于离子、氧空位迁移的过程比基于电子迁移的速度慢，且受到热效应的影响，使得阻态稳定性较差，随机性较大，限制了忆阻器在非易失性存储和逻辑计算领域的应用和发展。

铁电材料是一种应用广泛的材料，具有电阻态稳定的优良特性，因而成为新的研究热门。将铁电材料应用于忆阻器中，可制备阻态稳定的高性能忆阻器件，以期建造存算一体架构。BaFe₁₂O₁₉（钡铁氧体）材料是一种铁电材料，具有六角对称性，属于六角晶系。研究发现BaFe₁₂O₁₉具有比其它铁电材料更优良的性能，展现出良好的记忆特性和开关特性，阻态也更稳定，且往往具有较低的工作电压，可以大幅降低器件功耗。

相比于目前计算机中使用的二值逻辑，三值逻辑具有很多优点：三值数字逻辑可以完全兼容二值数字逻辑，三值逻辑位密度更高，能实现更多新的逻辑功能，A/D转换和D/A转换精度更高，能构建所有计算机经典模块并且能做得更小，更轻，逻辑功能更强。基于这些优点，三值逻辑能极大地提升信息处理速度与效率，在量子计算机，光学计算机，模糊计算方面有着广泛的应用。

真随机数发生器（TRNG）在统计学、信息安全等领域有着广泛的应用。在这些领域中，不仅要求数据序列分布均匀、彼此独立，而且要求其具有不可预测性。新型真随机数发生器设计应当基于数字电路以满足工业中对于真随机数发生器的低成本、低功耗、小型化与可移植性需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于铁电材料的忆阻器件及其制备方法和应用，通过布设底电极、阻变层、顶电极，并对其厚度、材质进行限定，能够提高阻变层及整个忆阻器件的导电性和稳定性，使得忆阻器件阻态更稳定且可用于三值存储和三值逻辑计算。另一方面，其开启电压可作为真随机数发生器的随机源。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供一种基于铁电材料的忆阻器件，包括用于设于衬底上的底电极，所述底电极上设有阻变层，所述阻变层上设有顶电极，所述顶电极与底电极用于与外部电源连接；

所述阻变层为钡铁氧体，所述顶电极的厚度为90~110 nm，所述阻变层的厚度为50~70 nm，所述底电极的厚度为70~90 nm。

可选地，所述顶电极、底电极均为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的一种。

可选地，所述顶电极的厚度为100~105 nm，所述阻变层的厚度为55~60 nm，所述底电极的厚度为80~90 nm。

可选地，所述底电极为铂电极，所述顶电极为铜电极，所述铜电极的厚度为100nm，所述阻变层的厚度为60 nm，所述铂电极的厚度为80 nm。