一种基于碘氧化铋薄膜的忆阻器、其制备方法及应用与流程

本发明涉及一种存储器，具体地说是一种基于碘氧化铋薄膜的忆阻器、其制备方法及应用。

背景技术

与传统的冯诺依曼体系结构相比，人类大脑以非常低的功率执行高度并行的信息处理的能力显示出整体优越和高效的特点。因此，全世界的科学家都在努力开发电子大脑的构建模块。人脑中的基本元素是突触，其数量巨大（达到10¹⁵个），并且是学习和识别的关键因素。具有冯诺依曼架构的传统神经形态计算硬件消耗大量的功率，且整体效率较低。最近，ibm开发了一种硬件方法来实现使用静态随机存取存储器（sram）来模拟数百万个突触的功能。然而，由于每个sram单元包含六个晶体管，因此该方法需要六个晶体管来模拟单个突触，这使得该方法不可能达到大脑尺度（10¹⁵个突触）。rram提供了一种使用单个设备来模拟突触行为的可行方法。并且具有字线和位线的rram阵列更容易以高密度大规模制造。在突触装置中，突触后电流需要随着输入脉冲逐渐增加，这代表增加的学习能力。因此，对于神经形态应用而言，需要多个状态，这与仅具有“0”和“1”状态的传统存储器的要求完全不同。尽管忆阻器的出现对神经形态应用有着巨大的吸引力，然而一般阻变存储器在“set过程中”电阻会突然从高到低，有一个突然的“set”特性限制了电导状态的数量。它使得阻变存储器很难模仿突触的学习行为，因此需要一个电阻逐渐变化的器件。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种基于碘氧化铋薄膜的忆阻器、其制备方法及应用。

本发明的目的是这样实现的：一种基于碘氧化铋薄膜的忆阻器，包括底电极，在所述底电极上制有由碘氧化铋薄膜构成的阻变功能层，在所述阻变功能层上制有顶电极。优选的，所述底电极为fto层，所述顶电极为ti电极，从而形成ti/bioi/fto结构的器件。所述碘氧化铋薄膜的厚度为56nm。

本发明中，采用碘氧化铋薄膜作为忆阻器的阻变功能层，碘氧化铋对氧有良好的吸附能力，使得器件内的氧空位变多，这些氧空位可作为顶电极和底电极之间稳定的导电通道，进而使得器件的电阻在发生变化时不会出现突变现象，而是使电阻逐渐变大或变小。因此本发明中的忆阻器在“set”和“reset”过程中电导都会逐渐变化，即：电导的状态会有很多，使得器件能更好地模拟生物突触的学习、记忆功能。

本发明所提供的基于碘氧化铋薄膜的忆阻器的制备方法，包括如下步骤：

a、在衬底上制备底电极；

b、在所述底电极上制备碘氧化铋薄膜作为阻变功能层；

c、在所述碘氧化铋薄膜上制备顶电极。

步骤b中采用电化学沉积法制备碘氧化铋薄膜，具体如下：

b-1、将碘化钾溶于去离子水中，形成碘源溶液；

b-2、将五水合硝酸铋作为铋源加入碘源溶液中，搅拌至溶液澄清，再加入稀硝酸，使溶液ph值为1-2，优选为1.7；

b-3、将对苯醌溶于无水乙醇中，并将其加入步骤b-2所得溶液中，形成电解液；

b-4、采用步骤b-3中电解液，用电化学沉积法制备碘氧化铋薄膜，工作电压为-0.1v，沉积时间为300s。

本发明中的忆阻器由于采用了碘氧化铋薄膜作为器件的阻变功能层，因此，实现了器件对生物突触功能的模拟，包括短期可塑性、长期可塑性、双脉冲易化、尖峰时刻可塑性、学习-遗忘-再学习等，这就意味着模拟人脑强大的计算能力和高效率的人工智能芯片有着乐观的发展前景。

附图说明

图1中，图1（a）是本发明中ti/bioi/fto阻变器件的结构示意图，fto是底电极，bioi是阻变功能层，ti是顶电极；图1（b）是本发明中ti/bioi/fto阻变器件的i/v扫描曲线图。

图2是本发明中忆阻器的保持特性曲线。

图3是本发明中忆阻器的抗疲劳特性曲线。

图4是本发明中忆阻器循环100次高低电阻累计概率分布图。

图5是相对突触权重（δw）与相对刺激时间的依赖性曲线。

图6中，图6(a)是本发明中的器件在set过程中双脉冲易化的性能测试图，图6(b)是本发明中的器件在reset过程中双脉冲易化的性能测试图。

图7中，图7(a)是突触权重随连续脉冲刺激增加的模拟图；图7(b)是突触权重衰减的模拟图，即stp过程的弛豫，这一行为类似于人类大脑记忆遗忘曲线；图7(c)是基于中间状态的再次学习过程。

具体实施方式

忆阻器显示出用作神经形态应用的人造突触的巨大潜力。目前大多数忆阻器在reset（即“关闭”）期间电阻可以逐渐变大，这使忆阻器具有足够的状态模拟“遗忘”过程。然而，在set（即“开启”）过程中忆阻器电阻会发生突然的变小，因此不能产生足够的状态来模拟突触的“学习”过程。仅仅在reset过程中对器件进行电导的调控使得器件仅仅能模拟生物突触的抑制行为，而无法模拟增强行为。

本发明中，通过采用碘氧化铋薄膜（bioi）来作为忆阻器的阻变功能层，碘氧化铋薄膜可使器件内的氧空位变多，这些氧空位能够作为顶电极和底电极的导电通道。采用本发明中的忆阻器可以在单个设备中实现突触的增强性行为和抑制性行为，这在使神经形态计算具有更好的学习和记忆能力上有很大的意义。

如图1（a）所示，本发明所提供的基于碘氧化铋薄膜的忆阻器的结构是：在玻璃（glass）衬底上制有底电极fto，在底电极fto上制有碘氧化铋（bioi）薄膜，在碘氧化铋薄膜上制有顶电极，顶电极为若干ti电极，从而形成ti/bioi/fto结构的忆阻器。位于底电极fto与顶电极ti之间的bioi薄膜作为忆阻器的阻变功能层。bioi薄膜的厚度可以从10nm~120nm。

本发明所提供的忆阻器的制备方法为：首先在衬底上制备底电极；之后在所述底电极上制备碘氧化铋薄膜作为阻变功能层；接着在所述碘氧化铋薄膜上制备顶电极。

碘氧化铋薄膜的制备工艺具体如下：

①、将碘化钾作为碘源，溶于去离子水中，形成浓度为0.4mol/l的碘源溶液。

②、将五水合硝酸铋作为铋源加入到步骤①中的碘源溶液中，形成浓度为0.04mol/l的溶液；将该溶液搅拌至澄清，之后加入1mol/l的稀hno3溶液，使溶液的ph值在1-2之间，优选的，使溶液的ph值为1.7。

③、将对苯醌溶于无水乙醇中，形成浓度为0.23mol/l的溶液，将该溶液加入步骤②所得的酸性溶液中，形成电解液。

④、采用步骤③中的电解液，用电化学沉积法制备碘氧化铋薄膜。此步骤中的工作电压为-0.1v，沉积时间为300s。最终形成的碘氧化铋薄膜的厚度为56nm。

对本发明中的忆阻器进行i/v曲线测试，所得结果如图1（b）所示。电压扫描按照图1（b）中带有数字标记的箭头方向进行扫描，当电压扫描至1.25v时，器件由高阻态变为低阻态，此过程为set过程，为了防止器件被击穿，本发明设置了一个5ma的限制电流；当电压扫描至-1.6v时，器件由低阻态回到高阻态，此过程为reset过程。从i/v扫描图中可以看出，器件在“set”和“reset”过程中电阻都是逐渐变化，没有出现突变的现象。

对本发明中的忆阻器进行保持特性测试，所得结果见图2。阻变存储器件的保持特性是指存储在器件中的数据被保持时间的长短，数据保持时间越长器件性能越好。通过施加电压扫描将器件分别置于高、低阻态，用较小的0.01v读取电压，每隔5s读取一次器件的阻值，对器件经过4小时的测试后，发现器件高、低阻态没有出现较大波动，表明该器件保持特性相对较好。

衡量阻变存储器的存储性能优劣的另一个重要因素是抗疲劳特性。器件每次在高低阻态间转换时都会产生不同程度的损伤，使高低阻态发生偏离，严重者甚至不再有高低阻态的转变，此时证明器件已经损坏，不能再使用，此之称为疲劳现象。因此，抗疲劳测试是判定阻变存储器的存储特性是否良好的关键因素之一，器件的抗疲劳性越强器件性能越稳定。对本发明中的忆阻器进行抗疲劳特性测试，所得结果见图3。由图3可知，在1v电压下，器件在经历100次高、低阻态转变之后，高、低阻态没有发生明显变化，这说明本发明中的器件具有相对良好的抗疲劳特性。

图4为本发明中忆阻器的“开启”和“关闭”中电阻的累计概率。通过分析本发明ti/bioi/fto结构的阻变器件100次循环读写操作中的转变电阻分布情况，对其进行了累积概率统计，结果发现，开启状态下电阻（对应低阻态，即lrs）在537ω到823ω之间随机分布，离散程度较小，均匀性良好；关闭状态下电阻（对应高阻态，即hrs）的范围从4735ω到5642ω，离散程度相对差一些。

图5为本发明中的忆阻器对突触可塑性功能的模拟，结果显示，本发明中的器件具有突触权重变化复合生物突触特性，表现了良好的神经学习尖锋时序依赖突触可塑性（stdp）的学习能力。

图6是本发明中的忆阻器对突触功能中双脉冲易化性能的测试，从图中可看出，时间间隔越小，ppf比率越大，即影响越大，这结果与生物突触的反映一致，表明本发明所制备的忆阻器很好的再现了双脉冲易化功能。

图7是本发明中的忆阻器对生物突触的学习-遗忘-再学习这一重要功能的模拟，图7(a)显示出用50次连续正脉冲去激发突触器件的结果，器件的突触权重随着脉冲次数逐渐增加，这称作学习功能；当施加脉冲撤去之后，突触权重将会在无偏压作用下出现即时的衰减，如图7(b)所示，在衰减的开始阶段其衰减速率比较快，紧接着衰减速率变慢，这一变化趋势与人类大脑记忆遗忘曲线相一致。衰减至一个稳定值之后，又施加了20个连续的正脉冲去刺激器件，所得结果如图7(c)所示，发现器件的权重又回到衰变前，这种现象类似于大脑中的重新学习。图7结果表明了本发明所制备的忆阻器能够模拟出生物突触中的学习-遗忘-再学习这一行为。