一种离子型两端仿生忆阻器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种离子型两端仿生忆阻器件及其制备方法。该离子型两端仿生忆阻器件包括：衬底；底层电极，形成在所述衬底上，以一定间隔沿第一方向平行排列，作为忆阻器的一端；离子凝胶，形成在所述底层电极上，作为忆阻器的功能层；顶层电极，形成在所述离子凝胶上，以一定间隔沿第二方向平行排列，与底层电极呈交叉阵列结构，作为忆阻器的另一端，其中，忆阻器的两端分别对应着突触前端与突触后端，忆阻器的功能层对应突触间隙，利用离子凝胶中离子的可扩散性模拟类脑神经突触中的离子迁移，实现导电通道的信息传递，模拟类似生物体中的离子通道作用，完成神经突触权重调制过程。完成神经突触权重调制过程。完成神经突触权重调制过程。

【技术实现步骤摘要】
一种离子型两端仿生忆阻器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体
，具体涉及一种离子型两端仿生忆阻器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着摩尔定律的发展，新型的尺度微缩型存储器件的需求日益增加。两端结构的忆阻器具有CMOS工艺兼容、结构简单、操作速度快、功耗低、易于微缩与高密度集成等优点，非常适合应用在下一代的电子器件。
[0003]神经突触器件作为类脑神经形态计算的基础元器件，可以从架构上打破传统计算体系的瓶颈，提高芯片的计算能效，受到了广泛的关注。神经突触器件需要对突触权重进行连续调节，从而完成类似人脑的计算模式。目前报道的神经突触器件多基于缺陷调控、电荷擦写、极化翻转等机制，难以实现完全类似生物的突触权重调节过程。
[0004]生物单元中存在着大量的离子通道，而神经突触的权重变更依赖于Na
+
/K
+
等离子的扩散。为了实现更贴合于生物的权重调节，需要构建离子扩散型的电子器件模拟信息传递过程。因此，开发离子型神经突触器件已成为研发神经形态系统的重要步骤。虽然已有部分三端离子型晶体管神经突触器件被研发，但受限于最小单元尺寸与集成密度等因素的限制，难以满足高密度集成的需求，急需开发新型的仿生神经突触器件。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术设计制作了一种离子型两端仿生忆阻器件，利用离子凝胶作为忆阻器的功能层，实现导电通道的信息传递，模拟类似生物体中的离子通道作用，完成神经突触权重调制过程，构建性能更接近于生物的电子神经突触器件。
[0006]该离子型两端仿生忆阻器件，包括：衬底；底层电极，形成在所述衬底上，以一定间隔沿第一方向平行排列，作为忆阻器的一端；离子凝胶，形成在所述底层电极上，作为忆阻器的功能层；顶层电极，形成在所述离子凝胶上，以一定间隔沿第二方向平行排列，与底层电极呈交叉阵列结构，作为忆阻器的另一端，其中，忆阻器的两端分别对应着突触前端与突触后端，忆阻器的功能层对应突触间隙，利用离子凝胶中离子的可扩散性模拟类脑神经突触中的离子迁移，实现导电通道的信息传递，模拟类似生物体中的离子通道作用，完成神经突触权重调制过程。
[0007]本专利技术的离子型两端仿生忆阻器件中，优选为，通过对顶层电极施加连续的脉冲刺激，以忆阻器的电导状态作为突触权重，完成神经突触权重调制过程：当在顶层电极施加正向脉冲时，忆阻器中离子会在电压的激励下向底层电极移动并积累，最终在底层电极和顶层电极连接成为导电的通道，实现突触权重的增强作用；当在顶层电极施加负向脉冲时，离子形成的导电通道被破坏，离子的分布更加无序，从而导致器件的电导变小，实现突触权重的抑制作用。
[0008]本专利技术的离子型两端仿生忆阻器件中，优选为，所述离子凝胶中凝胶溶质离子是
生物体中存在的重要元素离子，凝胶溶剂是可溶解所述凝胶溶质离子且不与之发生反应的有机物。
[0009]本专利技术的离子型两端仿生忆阻器件中，优选为，所述凝胶溶质离子是Li
+
、Na
+
、Ca
2+
、K
+
中的一种或其组合，凝胶溶剂是PEO、PI、PVA、PVP中的一种或其组合。
[0010]本专利技术的离子型两端仿生忆阻器件中，优选为，所述离子凝胶为LiClO4/PEO混合凝胶。
[0011]本专利技术还公开一种离子型两端仿生忆阻器件制备方法，包括以下步骤：在衬底上形成以一定间隔沿第一方向平行排列的底层电极，作为忆阻器的一端；在所述底层电极上形成离子凝胶，作为忆阻器的功能层；在所述离子凝胶上形成以一定间隔沿第二方向平行排列的顶层电极，与所述底层电极呈交叉阵列结构，作为忆阻器的另一端，其中，忆阻器的两端分别对应着突触前端与突触后端，忆阻器的功能层对应突触间隙，利用离子凝胶中离子的可扩散性模拟类脑神经突触中的离子迁移，实现导电通道的信息传递，模拟类似生物体中的离子通道作用，完成神经突触权重调制过程。
[0012]本专利技术的一种离子型两端仿生忆阻器件制备方法中，优选为，对顶层电极施加连续的脉冲刺激，并对其电流进行记录，以忆阻器的电导状态作为突触权重，实现神经突触特性的模拟：当施加正向脉冲在顶电极时，忆阻器中离子会在电压的激励下向底电极移动并积累，最终在底电极和顶电极连接成为导电的通道，实现突触权的增强作用；当施加负向脉冲在顶电极时，离子形成的导电通道被破坏，离子的分布更加无序，从而导致器件的电导变小，实现突触权重的抑制作用。
[0013]本专利技术的一种离子型两端仿生忆阻器件制备方法中，优选为，所述离子凝胶中凝胶溶质离子是生物体中存在的重要元素离子，凝胶溶剂是可溶解所述凝胶溶质离子且不与之发生反应的有机物。
[0014]本专利技术的一种离子型两端仿生忆阻器件制备方法中，优选为，所述凝胶溶质离子是Li
+
、Na
+
、Ca
2+
、K
+
中的一种或其组合，凝胶溶剂是PEO、PI、PVA、PVP中的一种或其组合。
[0015]本专利技术的一种离子型两端仿生忆阻器件制备方法中，优选为，所述底层电极为Pt，Al，Au，Ag或Ti；所述顶层电极为TaN，TiN，Ag或Al。
[0016]有益效果：
[0017](1)两端忆阻器具有优异的尺度微缩性、高密度集成性，与生物突触的结构具有一致性。简单的两端结构分别对应着突触前端与突触后端，而忆阻器的功能层对应着突触间隙，非常适合模拟生物神经突触。
[0018](2)离子型忆阻器的功能层为离子凝胶，其中具有可移动的离子，与生物神经突触中的Na
+
、K
+
等具有非常相近的功效，保证器件可以最大程度地还原生物组织中的突触权重信息传递等过程，为下一代类脑神经突触器件的发展提供了指导。
[0019](3)不同于传统的三端神经形态晶体管利用离子凝胶作为栅控材料，本方法直接采用离子凝胶作为两端忆阻器的功能层。而且两端的离子型忆阻器具有最小特征尺寸4F/N，可以实现后摩尔时代高密度集成的需求。
附图说明
[0020]图1是离子型两端仿生忆阻器件制备方法的流程图。
[0021]图2是形成底层电极后的器件结构示意图。
[0022]图3是形成离子凝胶后的器件结构示意图。
[0023]图4是形成顶层电极后的器件结构示意图。
[0024]图5是离子型两端仿生忆阻器件工作原理示意图。
具体实施方式
[0025]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0026]在本专利技术的描述中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离子型两端仿生忆阻器件，其特征在于，包括：衬底；底层电极，形成在所述衬底上，以一定间隔沿第一方向平行排列，作为忆阻器的一端；离子凝胶，形成在所述底层电极上，作为忆阻器的功能层；顶层电极，形成在所述离子凝胶上，以一定间隔沿第二方向平行排列，与底层电极呈交叉阵列结构，作为忆阻器的另一端，其中，忆阻器的两端分别对应着突触前端与突触后端，忆阻器的功能层对应突触间隙，利用离子凝胶中离子的可扩散性模拟类脑神经突触中的离子迁移，实现导电通道的信息传递，模拟类似生物体中的离子通道作用，完成神经突触权重调制过程。2.根据权利要求1所述的离子型两端仿生忆阻器件，其特征在于，通过对顶层电极施加连续的脉冲刺激，以忆阻器的电导状态作为突触权重，完成神经突触权重调制过程，当在顶层电极施加正向脉冲时，忆阻器中离子会在电压的激励下向底层电极移动并积累，最终在底层电极和顶层电极连接成为导电的通道，实现突触权重的增强作用；当在顶层电极施加负向脉冲时，离子形成的导电通道被破坏，离子的分布更加无序，从而导致器件的电导变小，实现突触权重的抑制作用。3.根据权利要求1所述的离子型两端仿生忆阻器件，其特征在于，所述离子凝胶中凝胶溶质离子是生物体中存在的重要元素离子，凝胶溶剂是可溶解所述溶质离子且不与之发生反应的有机物。4.根据权利要求3所述的离子型两端仿生忆阻器件，其特征在于，所述凝胶溶质离子是Li
+
、Na
+
、Ca
2+
、K
+
中的一种或其组合，所述凝胶溶剂是PEO、PI、PVA、PVP中的一种或其组合。5.根据权利要求4所述的离子型两端仿生忆阻器件，其特征在于，所述离子凝胶为LiClO4/PEO混合凝胶。6.一种离子型两端仿生忆阻器件制备方法，其特征在于，包括以下步...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈琳，孟佳琳，王天宇，孙清清，张卫，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：