一种相变纳米颗粒镶嵌的氮化物忆阻器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种相变纳米颗粒镶嵌的氮化物忆阻器及其制备方法，忆阻器包括依次设置的底电极、介质层和顶电极，介质层为设置在底电极一面上的掺杂有过渡金属的氮化物或氮氧化物薄膜。其制备方法包括如下步骤：在基片上沉积惰性金属作为底电极；在底电极上沉积一层氮化物或氮氧化物薄膜，同时沉积少量过渡金属到氮化物或氮氧化物薄膜中去；在介质层上添加掩模板，在掩模板上沉积惰性金属作为顶电极后除去掩膜板；在顶电极和底电极之间采用负偏压，使得介质层内形成贯穿该介质层并聚集成束的相变纳米颗粒。本忆阻器在周期性强输入脉冲作用下具有编码功能，在强输入脉冲结束后具有记忆和学习功能，可以很好地模拟神经突触的计算和学习功能。

【技术实现步骤摘要】
一种相变纳米颗粒镶嵌的氮化物忆阻器及其制备方法
本专利技术涉及一种相变纳米颗粒镶嵌的氮化物忆阻器及其制备方法，属于信息电子材料

技术介绍
采用忆阻器模拟神经突触可塑性，实现类脑计算是信息、材料、计算机、神经科学领域的科学家和工程师共同关注的问题。现已专利技术很多忆阻器，如各种金属氧化物，能够模拟突触可塑性和学习功能。然而，这些器件与真实生物突触的性质相差比较远，比如工作介质不清楚、机理不清晰，工作模式与真实突触仍然相差甚远。例如，在NanoLetters上报导并广泛引用的相变型忆阻器(Kuzum,D.,Jeyasingh,R.G.D.,Lee,B.&Wong,H.S.P.Nanoelectronicprogrammablesynapsesbasedonphasechangematerialsforbrain-inspiredcomputing.NanoLett.12,2179-2186(2012))，其采用的相变材料能在外脉冲刺激下阻值逐渐变化，类似神经科学中观察到的突触可塑性变化。然而这类材料和结构，在电响应方面模拟了神经突触可塑性，但是反映不出生物突触内部离子流动、神经递质释放和门控离子沟道的动力学过程。这样只是形似而不是神似，真实突触的计算功能并不能反映出来。因此迫切需要找到行为、效率、动力学过程更接近生物突触性质的材料和器件，从而真正迈向类脑计算。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种相变纳米颗粒镶嵌的氮化物忆阻器及其制备方法，该忆阻器具有编码和学习功能，它可以将周期性输入刺激信号转化为另一种周期性信号输出，而无需任何外界调制电路，在刺激过后，器件的整体电导率(电阻率)发生长期变化，即长时程记忆和学习效应。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提出的一种相变纳米颗粒镶嵌的氮化物忆阻器，包括位于基底上依次设置的底电极、介质层和顶电极，其特征在于：所述介质层为设置在所述底电极一面上的掺杂有过渡金属的氮化物或氮氧化物薄膜；通过在所述底电极、顶电极之间施加幅值2～6V的连续负偏压通过脉冲冲击或连续扫描方式，使得掺杂的过渡金属转变为镶嵌在氮化物或氮氧化物薄膜内的相变纳米颗粒；所述氮化物包括氮化镓、氮化铝、氮化硅、氮化硼、氮化铟；所述氮氧化物包括氮氧化镓、氮氧化铝、氮氧化硅、氮氧化硼、氮氧化铟。进一步地，所述相变纳米颗粒聚集成束，且贯穿所述氮化物或氮氧化物薄膜，相变纳米颗粒束的宽度在20～100nm之间。本专利技术还提出一种上述氮化物忆阻器的制备方法，包括以下步骤：1)采用电子束蒸镀、热蒸发、磁控溅射或离子溅射方法在任意基片上沉积一层惰性金属，形成所述底电极；2)在所形成的底电极的顶面上采用磁控溅射、离子溅射、化学气相沉积或原子层沉积的方法沉积所述氮化物或氮氧化物薄膜，采用沉积速率a；在沉积所述氮化物或氮氧化物薄膜的同时，采用磁控溅射、离子溅射、化学气相沉积或原子层沉积的方法沉积如下任意一种过渡金属元素，包括钒、铬、钽、钼、钇、铪、钨和铌，采用沉积速率b；通过调节a与b的相对大小，控制所述过渡金属元素与氮化物或氮氧化物薄膜中金属离子元素的原子百分比Arate在1:100至1:10之间，使所述过渡金属元素均匀弥散分布在所述氮化物或氮氧化物薄膜中；3)在所形成的氮化物或氮氧化物薄膜顶面上添加掩模板，在所述掩模板上采用电子束蒸镀、热蒸发、磁控溅射或离子溅射方法沉积一层惰性金属，形成所述顶电极后除去所述掩膜板；4)在所述顶电极和所述底电极之间施加幅值2～6V的负脉冲偏压，在连续20～200个脉冲冲击后，在所述氮化物或氮氧化物薄膜内形成贯穿并聚集成束的相变纳米颗粒。本专利技术的特点主要有：本专利技术的忆阻器具有信号编码和学习功能，包括但并不限于：1)对电压幅值高于2V的周期性脉冲输入信号，重新调制输出周期性信号，输出信号的波形、幅值和频率发生变化，且随输入频率的变化而变化；输出信号的峰值随输入信号的个数呈周期性振荡，振荡波形、幅值和频率都随输入信号频率变化；2)对电压幅值低于1V的周期性脉冲输入信号，输出信号与输入信号没有明显差别；3)对电压幅值在1V～2V之间的周期性脉冲输入信号，输出信号的变化介于上述二者之间，输出信号的变化规律性不强；4)先输入一个电压幅值低于1V的脉冲信号，读出系统的初始状态，以电导率或电阻率表示，然后输入一组电压幅值高于2V的周期性脉冲输入信号，然后再输入一个电压幅值低于1V的脉冲信号，读出系统的最终状态，以电导率或电阻率表示；计算前后两个低电压脉冲响应的比值，得出本忆阻器的权重的变化或长时程变化，权重比值以百分比表示，暨经过学习后的状态和结果；权重值大于100，称为增强型可塑性，表明记忆和学习形成；权重值小于100，称为抑制型可塑性，表明忘却。本专利技术具有以下优点：1)由于采用氮化物或氮氧化物薄膜作为基体，而相变纳米颗粒为氧化物，因此相变纳米颗粒的尺寸受到限制，在2纳米到10纳米之间，并且不容易长大，可抑制纳米颗粒连通从而形成一个整体；各纳米颗粒可以独自工作，亦可协同其他纳米颗粒。2)在外加电压的作用下，相变纳米颗粒聚集成束，贯穿氮化物薄膜，形成导电通道。相变纳米颗粒并不是弥散分布在氮化物或氮氧化物薄膜中的，便于电流沿聚集成束的通道流过，而不是随机从薄膜某个位置通过，模拟神经递质和电信号从前突触某个位点定向传递到后突触的下一个位点。3)在强输入信号作用下，输出信号的峰值为周期性振荡，适合采用傅里叶变换研究忆阻器的信号处理。从傅里叶变化中就可以得出信号的频率、幅值、成分等诸多信息，信号可以用经典的信号处理原理进行分析，得出忆阻器的计算规律或规则。4)在强输入信号作用后，忆阻器的状态(如电导、电阻)会发生永久变化，可以用弱输入信号(不改变忆阻器状态)读出强输入信号前后的状态，计算出权重变化，即有效的学习强度。通过永久变化，形成了记忆，从而可以分析其学习过程。本忆阻器可以很好地模拟神经突触的计算和学习功能。5)不管是对强输入或弱输入信号，忆阻器的响应都是依赖输入频率的，是频率依赖可塑性的学习模式。频率依赖的模式就可以运用信号处理的理论分析学习和记忆的过程。附图说明图1为本专利技术实施例忆阻器整体结构的剖视图图。图2为本专利技术实施例忆阻器的俯视图。图3为本专利技术的氮化物薄膜层和相变纳米颗粒分布示意图。图4为本专利技术实施例忆阻器在正偏压条件下的典型电压电流循环扫描曲线图。图5为本专利技术实施例忆阻器在负偏压条件下的典型电压电流循环扫描曲线图。图6为本专利技术实施例忆阻器经连续100次电压电流循环扫描后，分别取图4或图5中的A点和B点所绘制的电流响应曲线。图7为本专利技术实施例典型的强输入(高电压幅值)脉冲的响应，其中a中显示了频率1Hz、5Hz、10Hz、20Hz下的脉冲响应，b中显示了频率40Hz、60Hz、80Hz下的脉冲响应。图8为体现本专利技术实施例忆阻器学习功能特性的长时程响应。具体实施方式下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行进一步说明，但本专利技术并不局限于此，凡在本专利技术的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本专利技术提出的一种相变纳米颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种相变纳米颗粒镶嵌的氮化物忆阻器，包括位于基底上依次设置的底电极、介质层和顶电极，其特征在于：所述介质层为设置在所述底电极一面上的掺杂有过渡金属的氮化物或氮氧化物薄膜；通过在所述底电极、顶电极之间施加幅值2～6V的连续负偏压通过脉冲冲击或连续扫描方式，使得掺杂的过渡金属转变为镶嵌在氮化物或氮氧化物薄膜内的相变纳米颗粒；所述氮化物包括氮化镓、氮化铝、氮化硅、氮化硼、氮化铟；所述氮氧化物包括氮氧化镓、氮氧化铝、氮氧化硅、氮氧化硼、氮氧化铟。

【技术特征摘要】
1.一种相变纳米颗粒镶嵌的氮化物忆阻器，包括位于基底上依次设置的底电极、介质层和顶电极，其特征在于：所述介质层为设置在所述底电极一面上的掺杂有过渡金属的氮化物或氮氧化物薄膜；通过在所述底电极、顶电极之间施加幅值2～6V的连续负偏压通过脉冲冲击或连续扫描方式，使得掺杂的过渡金属转变为镶嵌在氮化物或氮氧化物薄膜内的相变纳米颗粒；所述氮化物包括氮化镓、氮化铝、氮化硅、氮化硼、氮化铟；所述氮氧化物包括氮氧化镓、氮氧化铝、氮氧化硅、氮氧化硼、氮氧化铟。2.根据权利要求1所述的氮化物忆阻器，其特征在于，所述相变纳米颗粒材料包括钒、铬、钽、钼、钇、铪、钨、铌这几种过渡金属的氧化物。3.根据权利要求1所述的氮化物忆阻器，其特征在于，所述氮化物或氮氧化物薄膜的厚度为50～150nm。4.根据权利要求1所述的氮化物忆阻器，其特征在于，所示相变纳米颗粒的平均尺寸在2～10nm之间，可以在非晶相和任意一种晶态相之间转变。5.根据权利要求1所述的氮化物忆阻器，其特征在于，所述底电极和所述顶电极均采用惰性金属制成，包括铂、金或钯。6.根据权利要求1所述的氮化物忆阻器，其特征在于，所述相变纳米颗粒聚集成束，且贯穿所述氮化物或氮氧化物薄膜，相变纳米颗粒束的宽度在20～100nm之间。7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的氮化物忆阻器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)采用电子束蒸镀、热蒸发、磁控溅射或离子溅射方法在任意基片上沉积一层惰性金属，形成所述底电极；2)在所形成的底电极的顶面上采用磁控溅射、离子溅射、化学气相沉积或原子层...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾飞，万钦，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11