基于可逆嵌入离子在两个亚稳态相之间的转移的记忆性器件制造技术

提供了基于离子嵌入材料中两个亚稳定相之间的离子转移的记忆性器件。一方面，提供了一种记忆性器件。记忆性器件包括：第一惰性金属触点；设置在第一惰性金属触点上的相分离材料层，其中相分离材料包括间隙离子；第二惰性金属触点，设置在相分离材料层上。相分离材料的第一相可以具有与相分离材料的第二相不同的间隙离子浓度，使得相分离材料的第一相具有与相分离材料的第二相不同的电导率。还提供了一种操作记忆性器件的方法。

Memory devices based on the transfer of reversible embedded ions between two metastable phases

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于可逆嵌入离子在两个亚稳态相之间的转移的记忆性器件
本专利技术涉及记忆性器件，更具体地，涉及基于离子嵌入材料中在不同电导率的两个亚稳态相之间的可逆离子转移的记忆性器件。
技术介绍
记忆性器件是可以基于施加的电压和电流来改变其内部电阻状态的电气开关。例如参看Yang等人的《用于计算的记忆性器件：机制、应用和挑战》(“MemristiveDevicesforComputing:Mechanisms,ApplicationsandChallenges”)【USLIProcessIntegration8atthe224thElectrochemicalSocietyMeeting(October27–November1,2013)(7pages)】。记忆性器件已经在加速的机器学习应用领域引起极大兴趣。记忆性器件需要具有以下特性。记忆性器件必须是非易失性的，并且能够存储可变的电阻值。可以使用电流或电压脉冲来向上和向下调节该电阻。记忆性器件的电阻必须对称可调，这意味着当向器件施加正(+)或负(-)电压脉冲时，电阻大小上下变动的幅度大致相同。然而，当前的纳米离子忆阻器器件(例如电阻随机存取存储器(RRAM)、导电桥接随机存取存储器(CBRAM)等)在所存储的电阻状态之间未显示对称调制。这种不对称性妨碍了像在用于加速的机器学习的电阻处理单元(RPU)的实现中使用的当前技术一样，该技术涉及并行执行大量计算。因此，期望用于在记忆性器件中实现电阻的对称调制的技术。
技术实现思路
本专利技术提供了基于离子嵌入材料中的两个亚稳定相之间的碱转移的记忆性器件。在本专利技术的一个方面，提供了一种记忆性器件。所述记忆性器件包括：第一惰性金属触点；设置在第一惰性金属触点上的相分离材料层—其中相分离材料包括间隙离子；和第二惰性金属触点，设置在相分离的材料层上。相分离材料的第一相可以具有与相分离材料的第二相不同的间隙离子浓度，使得相分离材料的第一相具有与相分离材料的第二相不同的电导率。在本专利技术的另一方面，提供一种操作记忆性器件的方法。该方法包括：提供具有第一惰性金属触点的记忆性器件，设置在第一惰性金属触点上的相分离材料层—其中所述相分离材料包括间隙离子，以及设置在所述相分离材料层上的第二惰性金属触点，其中所述相分离材料的第一相为所述记忆性器件的阴极，并且所述相分离材料的第二相为所述记忆性器件的阳极；向第一惰性金属触点施加正电压脉冲，以将所述间隙离子的一些从阴极转移到阳极；和向第一惰性金属触点施加负电压脉冲，以将所转移的间隙离子返回到阴极。通过参考以下详细描述和附图，将获得对本专利技术以及本专利技术的其他特征和优点的更完整的理解。附图说明现在将仅通过示例的方式，参考附图来描述本专利技术的实施例，其中：图1A是例示非对称元件电阻调制的示意图；图1B是例示根据本专利技术实施例的对称元件电阻调制的示意图；图2是例示根据本专利技术实施例的示例性记忆性器件的图；图3是例示根据本专利技术实施例的形成本专利技术的记忆性器件的示例性方法的图；图4是例示根据本专利技术实施例的操作记忆性器件的示例性方法的图；图5是例示根据本专利技术实施例的如何通过从锂离子(Li+)引入导带电子来调节锂钛氧化物(LTO)电阻的图；图6是例示根据本专利技术实施例的根据Li浓度x作为距离和时间的函数的LTO材料中的相分离的图；图7是例示根据本专利技术实施例的根据Li浓度x作为时间的函数的LTO材料中的相分离的图；图8是例示根据本专利技术实施例的在Li浓度x方面作为时间的函数的相之间的Li+离子的对称转移的图；图9是例示根据本专利技术实施例的在Li浓度x方面作为时间的函数的相之间的Li+离子的对称转移的图。具体实施方式本文提供了一种双极性模拟记忆性器件，其能够在多个电阻状态之间进行对称切换。如上所述，必须对称地调制器件电阻，例如，当提供了n个正脉冲时，n个负脉冲会使器件返回相同的电阻。当前的纳米离子(例如，RRAM、CBRAM等)没有显示出电阻的对称调制，究其原因，是因为其工作原理是在器件内形成和断开材料的导电丝。参见例如图1A和1B，分别示出了作为脉冲数(#)的函数的电阻的不对称和对称调制。此外，如图1B中所示的两个示例中所示，增强/去势路径不必是线性的(即，图1B中所示的一个路径是线性的，而另一路径不是)，但是它们必须是对称的。为了实现电阻状态之间的对称调制，本文提出了对基于丝状的记忆性器件的替代方案，其中用相分离来在每一相中实现恒定的μLi+(锂(Li)或其他嵌入离子的化学势)，因此实现相位之间锂(或其他嵌入离子)的可逆调制。具体地，在本专利技术的记忆性器件中，具有间隙离子的相分离材料(即两相材料)被放置在导电的惰性电极之间。该相分离材料具有两个相，每个相具有不同浓度的间隙离子，因此具有不同的电导率。具体地，该两相材料具有一个导电相和一个第二相，第二相是(电)绝缘的，但是在添加(嵌入)离子后变为导电的(例如，参见下面描述的图6和图7)。物理学允许离子在这两个亚稳态相之间转移，直至达到稳定性极限(吉布自由能的二阶导数)，从而增加或减小器件的电阻。非易失性的程度取决于离子扩散的动力学和移动离子之间的库仑排斥力。之所以能够实现对称切换，是因为在相分离材料中，锂离子(Li+)(或其他嵌入离子)的化学势在两个相中都是相等的，因此来回转移是可逆的。本专利技术的记忆性器件的示例性构造在图2中示出。如图2所示，记忆性器件200包括基底202，其上设置有第一惰性金属触点204。合适的基底包括但不限于玻璃(例如钠钙玻璃(SLG))、陶瓷、金属箔或塑料基底。根据示例性实施例，首先在基底上涂覆薄的粘合层203，以帮助将惰性金属触点204沉积到基底202上。仅作为示例，粘合层203形成约1纳米(nm)至约5nm的厚度，并且在它们之间的范围内。用于粘合层203的合适的材料包括但不限于铬(Cr)、钛(Ti)和/或镍(Ni)。用于惰性金属触点204的合适材料包括但不限于钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、金(Au)和/或铂(Pt)。“惰性”是指金属在正常操作条件下不会发生反应，会阻止离子迁移。相分离材料被设置在惰性金属触点204上。如上所述，相分离材料包括两个相。两个相的其中之一用作记忆性器件的阴极206，而另一相用作记忆性器件的阳极208。这样，根据示例性实施例，阴极206和阳极208包含相分离嵌入材料的不同相(分别为相1和相2)，即，阴极206和阳极208由具有不同浓度的锂(Li)间隙离子的常见材料(例如锂钛氧化物(LTO)、锂钴氧化物(LCO)等–参见下文)的不均匀混合物形成。以Li为例，合适的离子嵌入材料是锂(Li)钛(Ti)氧化物或LTO。LTO尖晶石可以存在两个相，Li4Ti5012和Li7Ti5012。在将Li嵌入Li4Ti5012尖晶石期间，会发生Li离子重排，填充子晶格中的不同位置，形成Li7Ti5012。参见例如Tsai等人的《锂电池的Li4Ti5012缺陷尖晶石的原子结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种记忆性器件，包括：/n第一惰性金属触点；/n设置在第一惰性金属触点上的相分离材料层，其中所述相分离材料包括间隙离子；和/n第二惰性金属触点，设置在所述相分离材料层上。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170622 US 15/630,6811.一种记忆性器件，包括：
第一惰性金属触点；
设置在第一惰性金属触点上的相分离材料层，其中所述相分离材料包括间隙离子；和
第二惰性金属触点，设置在所述相分离材料层上。


2.根据权利要求1所述的记忆性器件，其中，所述间隙离子包括锂离子。


3.根据权利要求1或2所述的记忆性器件，其中，所述相分离材料的第一相是所述记忆性器件的阴极，并且其中，所述相分离材料的第二相是所述记忆性器件的阳极。


4.根据权利要求3所述的记忆性器件，其中，所述相分离材料的第一相包括与所述相分离材料的第二相不同浓度的间隙离子，使得所述相分离材料的第一相具有与所述相分离材料的第二相不同的电导率。


5.根据前述权利要求中任一项所述的记忆性器件，其中所述相分离材料选自由以下组成的组：锂钛氧化物和锂钴氧化物。


6.根据权利要求3、4或5中任何一项所述的记忆性器件，其中，所述相分离材料的第一相包括具有分子式为Li7Ti5012的锂钛氧化物，并且其中所述相分离材料的第二相包括具有分子式为Li4Ti5012的锂钛氧化物。


7.根据权利要求3、4或5中任何一项所述的记忆性器件，其中所述相分离材料的第一相包括具有分子式为Li0.74CoO2的锂钴氧化物，并且其中所述相分离材料的第二相包括具有分子式为Li0.95CoO2的锂钴氧化物。


8.根据前述权利要求中任一项所述的记忆性器件，其中所述相分离材料的第一相和所述相分离材料的第二相中的至少一个掺杂有选自由以下组成的组的过渡金属：镍、钨、铁、钽及其组合。


9.根据前述权利要求中任一项所述的记忆性器件，其中所述第一惰性金属触点和所述第二惰性金属触点各自由选自以下的金属形成：钌、铑、钯、银、金、铂及其组合。


10.根据权利要求9所述的记忆性器件，其中所述第一惰性金属触点和所述第二惰性金属触点由彼此相同的金属形成。


11.根据前述权利要求中任何一项所述的记忆性器件，还包括：
基底；和
涂覆所述基底的粘合层，...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·W·布瑞维，D·纽恩斯，T·S·格尔绍恩，T·K·托多拉夫，G·J·马尔蒂纳，金世榮，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US