一种具有量子电导效应的离子型忆阻器的制作方法

本发明提供一种低能耗，多阻态，具有量子电导效应的离子型忆阻器，属于类脑计算器件技术领域。

背景技术：

近年来，人工智能已经成为世界各国研究和角逐的热点。人工智能主要分为弱人工智能与强人工智能。弱人工智能已经逐渐实现，如何实现强人工智能是目前研究的重点和难点，而类脑计算则被认为是实现强人工智能的重要途径之一。类脑计算是指仿真、模拟和借鉴大脑神经系统结构和信息处理过程的装置、模型和方法，其目标是制造类脑智能芯片。类脑计算包括脑神经科学研究，类脑计算器件研究和类脑学习与处理算法研究三方面。其中，类脑计算器件是从结构层次仿真入手，采用光电微纳器件模拟脑神经元与神经突触的信息处理功能，网络结构仿照脑神经网络。从目前的研究进展看，类脑计算器件的架构主要是基于数字电路、模拟电路或者数模混合电路三种。ibm的“truenorth”(真北)[p.a.merolla,etal.science(科学),2014,345,668-673]与谷歌公司的“alphago”(阿尔法狗)[d.silver,etal.nature(自然),2016,529,484-489]都是基于数字电路架构，结构简单，运算准确，甚至在部分领域战胜了人类，但是并没有模拟人脑的信息处理机制，而且能耗远大于人脑。惠普公司的“themachine”以及美国加州大学圣塔芭芭拉分校的忆阻神经网络[m.prezioso,etal.nature(自然),2015,521,61-64]等则是基于模拟电路架构或数模混合电路架构，其核心元件是忆阻器。忆阻器不仅具有开关速度快、能耗低、尺寸小、非易失性存储等性能优点，更重要的是具备非线性记忆特征，被认为是构建类脑计算器件的最佳元件，用于模拟人脑的神经突触，与cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，互补金属氧化物半导体)电路模拟的神经元连接构成类脑神经形态计算器件。

从材料类型上看，忆阻器主要分为氧化物忆阻器、固体电解质忆阻器、有机和聚合物材料忆阻器、氮化物忆阻器等。其中氧化物忆阻器具有结构简单、材料组分容易控制、制备工艺与cmos兼容等优点，受到了广泛关注和研究。然而，基于氧空位迁移的氧化物忆阻器存在忆阻行为不稳定、可控性差、写入噪声大等问题，限制了其在类脑计算器件中的应用。而基于离子迁移的氧化物忆阻器具有稳定性好、离子浓度易于控制等特点，在类脑计算器件应用方面表现出很大的潜力。目前，基于数模混合架构的类脑计算器件虽然模拟了人脑的神经突触与神经元，但突触与神经元之间的信息处理机制却未能模仿人脑的处理方式。脑神经医学研究进展发现，人脑突触与神经元之间的信息处理是通过钾钙等离子交换完成的。其次，fisher等提出量子脑理论，认为人脑处理信息的模式及机制与量子效应紧密联系在一起，遵循量子测不准原理，单纯由算法驱动的电脑不足以实现类脑计算[m.p.a.fisher,annalsofphysics(物理学年鉴),2015,362,593-602]。上述研究表明，基于钾钙等碱金属或碱土金属离子迁移，具有量子效应的忆阻器更利于类脑计算器件的实现。

li等采用铌和铂作为电极，氧化锌作为介质层，发现了基于氧空位迁移的量子电导效应[r.w.li,etal.adv.mater.(先进材料)2012,24,3941–3946]，观察到了多个量子态。gao等则采用银和铟锡氧化物作为电极，二氧化硅作为介质层，发现了基于银离子迁移的量子电导效应[s.gao,etal.appliedphysicsletters(应用物理快报),2014,105(6):063504-063504-5]。nandakumar等通过调控铜离子在非晶态二氧化硅中的迁移，在基于铜离子迁移的忆阻器中也发现了量子电导效应[s.r.nandakumar,etal.nanolett.(纳米快报)2016,16,1602-1608]。fuller等通过控制锂的迁移，制备了锂离子突触晶体管，实现了低功耗、稳定的神经形态计算[e.j.fuller,etal.adv.mater.(先进材料)2017,29,1604310]。尽管上述研究过程中实现了量子电导等效应，但其电导行为与人脑信息交换机制存在很大区别，不利于在类脑计算器件与神经形态网络等强人工智能器件中的应用。因此，如何基于锂钠钙等碱金属或碱土金属离子迁移，制备具有量子电导效应的离子型忆阻器对解决类脑计算器件的信息处理模式问题，实现强人工智能具有重要意义。

技术实现要素：

一、发明目的

针对目前类脑计算器件在信息处理模式存在的问题，本发明旨在通过调控碱金属或碱土金属离子的迁移过程，利用隧穿效应或者量子尺寸效应，制备一种具有量子电导效应的离子型忆阻器。该忆阻器与量子效应相结合，实现低能耗，多阻态，更接近人脑的信息处理模式，可以应用于类脑计算器件。

二、技术方案

本发明的技术方案是，一种具有量子电导效应的离子型忆阻器，所述离子种类包括各种碱金属元素或碱土金属元素，例如锂(li⁺)、钠(na⁺)、钾(k⁺)、钙(ca²⁺)等中的至少一种或两种以上的组合。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案，如图1(a)、图1(b)所示：

本发明的一种具有量子电导效应的离子型忆阻器，基于碱金属或碱土金属离子迁移产生忆阻效应，利用离子穿过隧穿层时的隧穿效应或者纳米线沟道对离子的量子尺寸效应实现量子电导效应，所述离子型忆阻器其结构包括各种“三明治”结构或者场效应晶体管结构，例如电极/绝缘层/电极、mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管)或者tft(thinfilmtransistor，薄膜晶体管)等中的一种。

基于“三明治”结构的具有量子电导效应的离子型忆阻器由顶端电极，隧穿层，氧化物层，离子掺杂层及底端电极共5层构成。

所述的离子掺杂层为离子均匀分布区或离子梯度分布区，碱金属或碱土金属离子在该层均匀分布或梯度分布；所述的氧化物层为离子梯度分布区，在电场作用或者浓度梯度扩散效应下，碱金属或碱土金属离子呈梯度分布，浓度逐渐变化。所述的隧穿层为离子隧穿区域，利用离子在电场作用下穿过氧化物或者二维材料时发生的隧穿效应，产生量子电导效应。

基于“三明治”结构的具有量子电导效应的离子型忆阻器的结构包括“顶端电极/隧穿层/氧化物层/离子掺杂层/底端电极”、“顶端电极/氧化物层/离子掺杂层/隧穿层/底端电极”以及“顶端电极/氧化物层/隧穿层/离子掺杂层/底端电极”，如图2所示。

其中，顶端电极厚度为30～100纳米；隧穿层厚度为0.34～5纳米；氧化物层厚度为10～40纳米；离子掺杂层厚度为10～40纳米；底端电极厚度为30～100纳米。

其中，所述顶端电极与底端电极包括各种金属、金属氧化物或者氮化物，例如铂(pt)、金(au)、铜(cu)、镍(ni)、铝(al)、钴(co)、铬(cr)、铌(nb)、铟锡氧化物(ito)、钽(ta)、钛(ti)、银(ag)、氮化钽(tan)或氮化钛(tin)等中的至少一种。

所述隧穿层材料包括各种氧化物或者二维材料，例如氧化铝(al2o3)，二氧化硅(sio2)、二硫化钼(mos2)、六方氮化硼(bn)、石墨烯、氧化石墨烯、氟化石墨烯等中的至少一种或两种以上的组合。

所述氧化物层材料包括各种氧化物，例如二氧化钛(tio2)、二氧化铪(hfo2)、五氧化二钽(ta2o5)、氧化锆(zro2)、氧化锌(zno)、氧化镍(nio)、五氧化二钨(w2o5)、氧化铝(al2o3)、二氧化硅(sio2)等中的至少一种。

所述离子掺杂层材料包括各种掺杂碱金属或碱土金属离子的氧化物以及碱金属或碱土金属化合物，例如离子掺杂二氧化钛(tio2:a)、离子掺杂二氧化铪(hfo2:a)、离子掺杂五氧化二钽(ta2o5:a)、离子掺杂氧化锆(zro2:a)、离子掺杂氧化锌(zno:a)、离子掺杂氧化镍(nio:a)、离子掺杂五氧化二钨(w2o5:a)、离子掺杂氧化铝(al2o3:a)、离子掺杂二氧化硅(sio2:a)、钴酸锂(licoo2)、铌酸锂(linbo3)、磷酸亚铁锂(lifepo4)、亚铌酸锂(linbo2)、锰酸锂(li2mno3)、锰酸钠(naxmno20<x<1)、钴酸钠(naxcoo20<x<1)等中的一种；其中a离子包括各种碱金属或碱土金属元素，例如锂(li⁺)、钠(na⁺)、钾(k⁺)、钙(ca²⁺)等中的至少一种或两种以上的组合，a离子的浓度在20at％以内。

所述的基于三明治结构的具有量子电导效应的离子型忆阻器的制备方法包括各种溶液旋涂方法、喷墨打印、薄膜转移技术以及物理气相沉积、化学气相沉积或者分子束外延等方法中的一种或两种以上的组合。

基于场效应晶体管结构的具有量子电导效应的离子型忆阻器由下至上由栅极(厚度为30～100纳米)、介质层(厚度为10～200纳米)、纳米线沟道(直径为1～10纳米)，及位于纳米线沟道两侧的电极(厚度为30～100纳米)构成。

其中，介质层为绝缘区，几乎没有离子和电子通过；栅极用于施加调控电压，调控纳米线沟道中的碱金属或碱土金属离子迁移。限制纳米线沟道的直径，使碱金属或碱土金属离子的迁移在垂直方向上受到了量子尺寸效应，调控栅极电压，影响离子导电通道的尺寸，产生量子电导效应。

所述的栅极材料包括各种导电性良好的无机材料，例如铟锡氧化物(ito)、硅(si)、氮化钽(tan)、氮化钛(tin)、钽(ta)、钨(w)等中的至少一种。

所述的介质层材料包括各种绝缘性良好的金属氧化物，例如二氧化铪(hfo2)、二氧化硅(sio2)、氧化铝(al2o3)等中的至少一种。

所述的纳米线沟道材料包括但不限于各种碱金属或碱土金属化合物，例如钴酸锂(licoo2)、铌酸锂(linbo3)、钽酸锂(litao3)、钴酸钠(naxcoo20<x<1)、锰酸钠(naxmno20<x<1)等中的至少一种。

所述电极材料包括各种金属、金属氧化物，例如铂(pt)、金(au)、铜(cu)、镍(ni)、银(ag)、铟锡氧化物(ito)等中的至少一种。

所述电极与栅极的制备方法包括电子束蒸发或者磁控溅射等中的至少一种或两种以上的组合。

所述绝缘层的制备方法包括脉冲激光沉积、分子束外延、磁控溅射、原子层沉积等中的至少一种。

所述纳米线沟道的制备方法包括但不限于激光烧蚀、化学气相沉积、热气相沉积、模板法、水热法等方法中的一种或两种以上的组合。

与现有技术相比，本发明一种具有量子电导效应的离子型忆阻器，具有如下特点：

1.基于碱金属或碱土金属离子迁移产生忆阻效应；

2.利用离子穿过隧穿层时的隧穿效应或者纳米线沟道对离子的量子尺寸效应实现量子电导效应，观察到多个量子态。

附图说明

图1(a)是基于“三明治”结构的具有量子电导效应的离子型忆阻器技术路线图。

图1(b)是基于场效应晶体管结构的具有量子电导效应的离子型忆阻器技术路线图。

图2(a)、(b)、(c)是基于“三明治”结构的具有量子电导效应的离子型忆阻器的不同结构示意图。

图3是基于场效应晶体管结构的具有量子电导效应的离子型忆阻器的结构示意图。

图4是基于“三明治”结构的具有量子电导效应的离子型忆阻器加载电压后离子迁移示意图。

图5是基于场效应晶体管结构的具有量子电导效应的离子型忆阻器加载电压后离子迁移示意图。

图6是具有量子电导效应的离子型忆阻器加载正向电压时的电导电压曲线。

具体实施方式

本发明结合附图实施例作进一步详细说明，以下所述实施例旨在便于对本发明的了解，其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述示例实施例的目的，对其不起任何限定作用。因此，可以以许多可选形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。

附图均为示意图，其中涉及的各功能层或区域的厚度非实际尺寸、工作模式中的电导及电压值也非实际值。

实施例1：

本实施例中，基于“顶端电极/隧穿层/氧化物层/离子掺杂层/底端电极”结构。如图2(a)所示，该结构从下到上由底端电极104，离子掺杂层103，氧化物层102，隧穿层101及顶端电极100共五层构成。底端电极104厚度采用100纳米的铂；离子掺杂层103采用锂离子掺杂的二氧化铪，厚度为30纳米；氧化物层102采用30纳米的二氧化铪；隧穿层101选择厚度为0.34纳米的单层石墨烯；顶端电极100选择100纳米的氮化钛。

该结构通过采用脉冲激光沉积、原子层沉积、磁控溅射、电子束蒸发、刻蚀转移等方法，由下至上在衬底上逐层制备。首先在平整洁净衬底上采用电子束蒸发制备一层金属铂作为底端电极104，然后通过脉冲激光沉积在底端电极104表面沉积一层锂离子掺杂的二氧化铪作为离子掺杂层103，再利用原子层沉积在离子掺杂层103表面沉积一层二氧化铪作为氧化物层102，之后通过刻蚀转移技术在氧化物层102表面转移单层石墨烯作为隧穿层101，最后在隧穿层101表面利用磁控溅射技术制备一层氮化钛，并通过光刻等手段制备出分立的直径为100微米的氮化钛薄膜作为顶端电极100。

利用半导体参数分析测试仪给上述器件施加正向电压，如图4所示。在电场的作用下，锂离子向氧化物层迁移，在氧化物层中呈梯度分布，自下而上浓度逐渐减小，器件阻态改变，表现出忆阻行为；由于隧穿层是单层石墨烯，当锂离子穿过隧穿层时发生隧穿效应，在器件中检测到量子电导现象，如图6所示，电导值呈台阶式阶跃性上升，同时电导值与外加电压具有对应关系。定义ng0为该器件的中间态，实现了多级存储。

实施例2：

本实施例中，基于“顶端电极/离子掺杂层/氧化物层/隧穿层/底端电极”结构。如图2(b)所示，该结构从下到上由底端电极104，隧穿层101，氧化物层102，离子掺杂层103及顶端电极100共五层构成。底端电极104采用厚度为100纳米的铜；隧穿层101选择厚度为0.34纳米的单层石墨烯；氧化物层102采用30纳米的五氧化二钽；离子掺杂层103采用na离子掺杂的五氧化二钽，厚度为30纳米；顶端电极100选择100纳米的氮化钽。

该结构通过采用激光脉冲沉积、原子层沉积、磁控溅射，化学气相沉积、电子束蒸发等方法，由下至上在衬底上逐层制备。首先在平整洁净衬底上采用电子束蒸发制备一层金属铜作为底端电极104，然后通过化学气相沉积在底端电极104表面制备单层石墨烯作为隧穿层101，再利用原子层沉积在隧穿层101表面沉积一层二氧化铪作为氧化物层102，之后通过脉冲激光沉积在氧化物层102表面沉积一层钠离子掺杂的五氧化二钽作为离子掺杂层103，最后在离子掺杂层103表面利用磁控溅射技术制备一层氮化钽，并通过光刻等手段制备出分立的直径为100微米的氮化钽薄膜作为顶端电极100。

利用半导体参数分析测试仪给上述器件施加正向电压。在电场的作用下，钠离子向氧化物层迁移，在氧化物层中呈梯度分布，自上而下浓度逐渐减小，器件阻态改变，表现出忆阻行为；由于隧穿层是单层石墨烯，当钠离子穿过隧穿层时表现出隧穿效应，在器件中检测到量子电导现象，如图6所示，电导值呈台阶式阶跃性上升，同时电导值与外加电压具有对应关系。定义ng0为该器件的中间态，实现了多级存储。

实施例3：

本实施例中，基于“顶端电极/氧化物层/隧穿层/离子掺杂层/底端电极”结构。如图2(c)所示，该结构从下到上由底端电极104，离子掺杂层103，隧穿层101，氧化物层102及顶端电极100共五层构成。底端电极104采用厚度为100纳米的金；离子掺杂层103采用钴酸锂，厚度为30纳米；隧穿层101选择厚度为0.4纳米的单层二硫化钼；氧化物层102采用30纳米的二氧化硅；顶端电极100选择100纳米的铂。

该结构通过采用脉冲激光沉积、原子层沉积、磁控溅射，转移技术、电子束蒸发等方法，由下至上在衬底上逐层制备。首先在平整洁净衬底上采用电子束蒸发制备一层金属金作为底端电极104，然后通过脉冲激光沉积在底端电极104表面制备钴酸锂作为离子掺杂层103，再利用转移技术将单层二硫化钼转移到离子掺杂层103表面作为隧穿层101，之后通过原子层沉积在隧穿层101表面沉积一层二氧化硅作为氧化物层102，最后在氧化物层102表面利用磁控溅射技术制备一层铂，并通过光刻等手段制备出分立的直径为100微米的铂薄膜作为顶端电极100。

利用半导体参数分析测试仪给上述器件施加正向电压。在电场的作用下，锂离子向隧穿层迁移，由于隧穿层是单层二硫化钼，锂离子穿过隧穿层时表现出隧穿效应，在器件中检测到量子电导现象。锂离子随后进入氧化物层，器件阻态改变，表现出忆阻行为。电导电压曲线如图6所示，电导值呈台阶式阶跃性上升，同时电导值与外加电压具有对应关系。定义ng0为该器件的中间态，实现了多级存储。

实施例4：

本实施例中，基于场效应晶体管结构。如图3所示，该结构由下至上由栅极109、介质层108、纳米线107、金属电极105与106构成。栅极采用厚度为40纳米的氮化钛；介质层采用二氧化硅，厚度为30纳米；纳米线沟道材料为钴酸锂，直径为3纳米；金属电极选择70纳米的金。

该结构通过采用磁控溅射、原子层沉积、转移技术、电子束蒸发等方法，由下至上在衬底上逐层制备。首先在平整洁净衬底上采用磁控溅射制备一层金属氮化钛作栅极109，然后通过原子层沉积在栅极109表面制备二氧化硅作为介质层108，再利用化学气相沉积制备钴酸锂纳米线107并转移至介质层108表面，之后通过电子束蒸发在纳米线的两端分别制备源极105与漏极106。

利用半导体参数分析测试仪向上述基于场效应晶体管结构的具有量子电导效应的离子型忆阻器的源漏极施加电压vds，栅极施加电压vgs，如图5所示。在vds的作用下，锂离子迁移改变器件电阻，表现出忆阻行为。由于纳米线的直径仅有5纳米，锂离子的迁移受纳米线直径和栅极电压vgs影响。保持电压vds不变，改变vgs，影响锂离子导电通道的尺寸，器件中观察到量子电导效应，如图6所示。随vgs减小，器件的电导呈台阶式阶跃性上升，同时电导值与vgs具有对应关系。定义ng0为该器件的中间态，实现了多级存储。