一种自整流忆阻器、制备方法及其应用技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种自整流忆阻器、制备方法及其应用
本专利技术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。
技术介绍
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(Neuromorphiccomputing)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-pathcurrent)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(OneTransistorOneResistor)单元，或用忆阻器和选择器串联构成1S1R(OneSelectorOneResistor)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(currentrectificationratio)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。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术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，按照本专利技术的一个方面，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。优选地，所述顶部电极的功函数高于所述底部电极的功函数；优选地，所述底部电极为氮化钛或叠层，该叠层为金属钨和氮化钛的叠层，所述顶部电极为钯、铂中的至少一种。其中，底部电极的是在衬底上沉积一整层材料或者通过光刻技术，先在衬底上利用显影液显影通过光刻技术光刻出图案，然后在图案区域进行沉积。顶部电极沉积是指先在阻变层表面上利用显影液显影通过光刻技术光刻出图案，然后在图案区域进行沉积。该底部电极和顶部电极在沉积之前进行了清洁处理，所述清洁处理是将衬底依次放入丙酮、酒精、去离子水中，分别超声清洗10-20分钟，循环若干次，用氮气吹干后备用。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种根据上文所述的制备方法制备得到的自整流忆阻器。优选地，所述氧化物阻变层中金属掺杂的厚度为氧化物厚度的7％-17％。优选地，所述氧化物阻变层中金属掺杂的厚度为氧化物厚度的12.8％。按照本专利技术的又一个方面，提供了一种上文所述的自整流忆阻器在神经网络领域的应用，利用所述自整流忆阻器形成交叉开关阵列结构，从而实现抑制该交叉开关阵列结构中的潜行电流。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。(1)本专利技术首先通过选择不同的电极材料，构建顶部电极和底部电极非对称的器件结构，使器件具有整流性能。其次，通过在阻变层中进行金属掺杂，该金属以金属离子状态融入氧化层，改变器件的能带结构，提升器件的整流性能，可较好地抑制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。(2)本专利技术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金属。可以将金属充分均匀地掺杂在氧化物的内部而不是表面，使器件阻变层为一个整体层而非分别作用的两层。本专利技术通过在氧化物中掺杂金属，改变阻变层的能带结构，从而改变阻变层分别和顶电极、底电极的接触势垒，提高器件的自整流能力。(3)本专利技术中金属的掺杂量对自整流忆阻器的影响在于通过改变金属掺杂比例，提高忆阻器的自整流能力，因此，本专利技术中优选的采用金属掺杂的厚度为氧化物厚度的7％-17％。本专利技术中优选的氩氧比的范围为12：2～12：8。为了精确控制金属的掺杂量，本专利技术中采用调节靶材的溅射功率的同时调节溅射时间。(4)本专利技术提供的自整流忆阻器，器件结构简单、性能良好且稳定，降低了构建交叉阵列配置的复杂度，便于通过Crossbar结构来构建高密度的忆阻阵列，从而有利于硬件实现大规模阵列的忆阻人工神经网络，具有十分巨大的应用潜力。附图说明图1是本专利技术实施例1提供的自整流忆阻器的结构示意图；图2是本专利技术实施例1提供的自整流忆阻器的电流-电压(I-V)曲线；图3是通过本专利技术实施例1中具有金属掺杂的氧化物阻变层的自整流忆阻器和通过对比例1制备得到纯氧化物阻变层的忆阻器的电流-电压(I-V)曲线对比图；图4是本专利技术实施例2提供的自整流忆阻器的平面俯视图；图5是本专利技术实施例3提供的自整流忆阻器的电流-电压(I-V)曲线；图6是本专利技术实施例4提供的自整流忆阻器的电流-电压(I-V)曲线；图7是本专利技术实施例5提供的自整流忆阻器的电流-电压(I-V)曲线；图8是本专利技术实施例6提供的自整流忆阻器的电流-电压(I-V)曲线。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自整流忆阻器的制备方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：/n(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；/n(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。/n

【技术特征摘要】
1.一种自整流忆阻器的制备方法，其特征在于，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。


2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属为铜、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。


3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，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。


4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，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。


5.如权利要求4所述的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭新，黄静楠，黄鹤鸣，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42