一种可模拟突触可塑性和动作电位的忆阻器结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种可同时模拟突触可塑性和动作电位的忆阻器及其制备方法。所述忆阻器包括由下至上依次设置的基片、底电极、忆阻功能层和顶电极，忆阻功能层为氧化物薄膜，氧化物薄膜的材质为氧化铪、氧化钽、氧化锆、氧化锌、氧化铝、氧化铌、氧化钒、氧化钨、氧化钼和氧化镍中至少一种，忆阻功能层的厚度为5～50nm。本发明专利技术不用改变材料和制作工艺，只需要改变信号输入模式，就可以通过一种忆阻器件同时模拟生物神经元的突触权重改变和动作电位发放的两种主要功能，有利于大规模推广，简化构造人工神经网络和类脑芯片的制备工艺。工神经网络和类脑芯片的制备工艺。工神经网络和类脑芯片的制备工艺。

【技术实现步骤摘要】
一种可模拟突触可塑性和动作电位的忆阻器结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种可模拟突触可塑性和动作电位的忆阻器结构及其制备方法，属于信息、电子、材料


技术介绍

[0002]目前人工神经网络是国际上关注的前沿热点，研究人员一直致力于利用非线性电路、FPGA和VLSI等手段来模拟神经元放电、突触可塑性等神经元的基本生物特性，人脑中有多达10
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个神经元和10
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个突触，仅模拟一个神经元、一个突触、一个学习模块就需要数十个晶体管、电容和加法器。如果使用传统计算机来模拟大脑皮层，其体积和功耗都将无比巨大(Indiveri,G.et al.,Neuromorphic silicon neuron circuits.Front.Neuronsci.5,73(2011))。研究表明：忆阻器作为一种电阻可变的两端器件，可以用来模拟神经突触可塑性(Jo,S.H.,et al.Nanoscale memristor device as synapse in neuromorphic systems.Nano Lett.10,1297
‑
1301(2010)；Kuzum,D.,et al.,Nanoelectronic programmable synapses based on phase change materials for brain
‑
inspired computing.Nano Lett.12,2179
‑
2186(2012))和神经元动作电位(4)Pickett,M.D.,et al.,A scalable neuristor built with Mott memristors.Nature Mater.12,114
‑
117(2013))。一个分立的器件就可以执行上述复杂晶体管模块的任务。很显然，用忆阻器组建人工神经网络，将大大简化了芯片的结构、降低功耗、提高集成度。
[0003]目前的研究一般利用非易失性阻变的一类忆阻器来模拟生物神经元突触权重的改变。利用基于金属
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绝缘体转变(莫特相变)的一类忆阻器来模拟生物神经元中动作电位的产生。在神经形态电路中，完成信号的生成和传递需要集成这两种功能不一样的忆阻材料和结构。由于它们的类型和结构的相差较大，使得电路和芯片工艺很复杂。因此，如何选择材料和设计结构，只需要调节输入输出模式，通过一种忆阻器件结构可以模拟两大神经基元功能，成为大规模推广基于忆阻器的人工神经网络的重要课题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种可同时模拟突触可塑性和动作电位的忆阻器结构及其制备方法，以便简化大规模人工神经网络电路的设计和制造。
[0005]本专利技术所提供的可同时模拟突触可塑性和动作电位的忆阻器，包括由下至上依次设置的基片、底电极、忆阻功能层和顶电极；
[0006]所述忆阻功能层为氧化物薄膜Ⅰ和氧化物薄膜Ⅱ，所述氧化物薄膜Ⅱ为下述1)或2)：
[0007]1)由所述底电极形成的氧化物薄膜，位于所述底电极与所述氧化物薄膜Ⅰ之间；
[0008]2)由所述顶电极形成的氧化物薄膜，位于所述顶电极与所述氧化物薄膜Ⅰ之间；
[0009]所述忆阻功能层同时具备易失和非易失阻变特性。
[0010]上述的忆阻器中，所述氧化物薄膜的材质可为氧化铪、氧化钽、氧化锆、氧化锌、氧化铝、氧化铌、氧化钒、氧化钨、氧化钼和氧化镍中至少一种。
[0011]上述的忆阻器中，所述忆阻功能层中，所述氧化物薄膜Ⅰ的厚度可为5～50nm，优选为10nm；
[0012]所述氧化物薄膜Ⅱ的厚度可为5～20nm，优选为10nm。
[0013]上述的忆阻器中，所述基片可为SiO2/Si基片；
[0014]所述基片的厚度可为0～1000μm，但不为零；
[0015]所述底电极的材质为化学惰性金属或过渡族金属，所述顶电极的材质为化学惰性金属或过渡族金属，且两者不相同，即当所述底电极的材质为所述化学惰性金属时，则所述顶电极的材质为所述过渡族金属，当所述底电极的材质为所述过渡族金属时，则所述顶电极的材质为所述化学惰性金属；
[0016]当所述底电极为所述过渡族金属时，所述氧化物薄膜Ⅱ为由所述底电极形成的薄膜；
[0017]当所述顶电极为所述过渡族金属时，所述氧化物薄膜Ⅱ为由所述顶电极形成的薄膜。
[0018]上述的忆阻器中，所述化学惰性金属可为Pd、Pt和Au中至少一种；
[0019]所述过渡族金属可为Nb、V、W、Mo和Ni中至少一种；
[0020]所述底电极的厚度可为20～100nm，优选为55nm；
[0021]所述顶电极厚度可为20～100nm，优选为50nm。
[0022]本专利技术忆阻器中，所述底电极、所述忆阻功能层与所述顶电极之间形成十字交叉结构；
[0023]所述底电极嵌于所述基片中，且所述底电极的表面与所述基片的表面齐平。
[0024]本专利技术还提供了所述忆阻器的制备方法，包括如下步骤：
[0025]S1、在所述基片上制备所述底电极；
[0026]S2、在步骤S1得到的所述基片上制备所述忆阻功能层；
[0027]S3、在所述忆阻功能层上制备所述顶电极，即得到所述忆阻器。
[0028]具体地，步骤S1中，采用如下步骤制备所述底电极：
[0029]S1.1、采用光刻的方式得到所述底电极的图形；
[0030]S1.2、采用等离子刻蚀、反应离子刻蚀或湿法刻蚀的方式，在所述基片暴露部分刻蚀出槽，深度为所述底电极的厚度；
[0031]S1.3、采用磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发或化学气相沉积的方式，向所述基片上沉积所述底电极的材料，厚度为所述底电极的厚度；
[0032]然后采用可溶解光刻胶的溶剂去除光刻胶和光刻胶上沉积的材料，获得底电极表面和基片表面齐平的衬底。
[0033]具体地，步骤S2中，采用如下步骤制备所述忆阻功能层：
[0034]采用磁控溅射、化学气相沉积或原子层沉积的方式制备所述忆阻功能层；
[0035]步骤S3中，采用如下步骤制备所述顶电极：
[0036]S3.1、采用光刻的方式得到所述顶电极的图形；
[0037]S3.2、采用磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发或化学气相沉积的方式，向所述基片上
沉积所述顶电极的材料，厚度为所述顶电极的厚度；
[0038]然后采用可溶解光刻胶的溶剂去除光刻胶和光刻胶上沉积的材料，获得顶电极图形。
[0039]上述的制备方法中，所述光刻的方式为紫外曝光或电子束曝光；
[0040]S1.2中，所述反应离子刻蚀的条件可为：真空室本底气压低于1
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‑4Pa，工作氛围为纯六氟化硫，气压约为0.5Pa，溅射功率50～300W；具体可为200W；刻蚀时间可为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可同时模拟突触可塑性和动作电位的忆阻器，包括由下至上依次设置的基片、底电极、忆阻功能层和顶电极；所述忆阻功能层为氧化物薄膜Ⅰ和氧化物薄膜Ⅱ，所述氧化物薄膜Ⅱ为下述1)或2)：1)由所述底电极形成的氧化物薄膜，位于所述底电极与所述氧化物薄膜Ⅰ之间；2)由所述顶电极形成的氧化物薄膜，位于所述顶电极与所述氧化物薄膜Ⅰ之间。2.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于：所述氧化物薄膜的材质为氧化铪、氧化钽、氧化锆、氧化锌、氧化铝、氧化铌、氧化钒、氧化钨、氧化钼和氧化镍中至少一种。3.根据权利要求1或2所述的忆阻器，其特征在于：所述忆阻功能层中，所述氧化物薄膜Ⅰ的厚度为5～50nm，所述氧化物薄膜Ⅱ的厚度为5～20nm。4.根据权利要求1
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3中任一项所述的忆阻器，其特征在于：所述基片为SiO2/Si基片；所述基片的厚度为0～1000μm，但不为零；所述底电极的材质为化学惰性金属或过渡族金属，所述顶电极的材质为化学惰性金属或过渡族金属，且两者不相同；当所述底电极为所述过渡族金属时，所述氧化物薄膜Ⅱ为由所述底电极形成的薄膜；当所述顶电极为所述过渡族金属时，所述氧化物薄膜Ⅱ为由所述顶电极形成的薄膜。5.根据权利要求4所述的忆阻器，其特征在于：所述化学惰性金属为Pd、Pt和Au中至少一种；所述过渡族金属为Nb、V、W、Mo和Ni中至少一种；所述底电极的厚度为20～100nm；所述顶电极厚度为20～100nm。6.根据权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：曾飞，虞俊纬，万钦，潘峰，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：