基于SiOx:Ag/TiOx双阻变层的忆阻突触器件及方法与流程

本发明属于硅基电子学器件与神经形态芯片领域，具体涉及一种基于siox:ag/tiox双阻变层的忆阻突触器件及其制备方法。

背景技术：

近年来，基于忆阻器的人工神经突触备受研究者的关注。“三明治”结构是典型的忆阻器件结构，这种结构顶层为上电极，底层为下电极，中间层是忆阻材料。忆阻材料主要有三类阻变机制：离子效应、电子效应和热效应，基于离子效应的忆阻材料是目前的研究热点。对于离子效应，根据不同的离子种类，可分为由阴离子引起的价态变化记忆效应存储器(valencechangememory,vcm)和由阳离子引起的电化学金属化存储器(electrochemicalmetallizationcell,ecm)。vcm器件载体为氧化物绝缘体，在电场作用下氧离子发生迁移，产生氧空位缺陷，从而形成通道实现阻变；ecm器件则是通过调控金属离子在介质层中形成的导电通道实现阻变，其上电极一般为活泼金属，下电极一般为惰性电极。由于工作原理不同，基于不同的材料体系构建的忆阻器制备人工神经突触器件，具备不同的突触性能。

基于“金属上电极/siox/下电极”结构构建的忆阻器，具备开关比大、阈值电压低等优点。但是，“金属上电极/siox/下电极”结构的忆阻器，由于阻变层只有简单的一层介质siox薄膜，不能实现权重的连续可调，限制了其在人工神经突触中的应用。为了实现突触权重的连续可调，研究者们使用含不同ag浓度的梯度siox:ag来替换siox，但是，性能改善并不明显。到目前为止，如何很好地实现“突触权重连续可调”和“突触性能工作稳定”等，是基于siox:ag单阻变层忆阻突触器件能否成功用于人工神经突触需要解决的一个重要问题(参考依据：cn107611260a，cn109037442a，cn106098932a，cn108933178a，cn105304813a，cn104916313a，cn104934534a)。

技术实现要素：

为了更好地解决以上问题，本发明提出了一种基于siox:ag/tiox双阻变层的忆阻突触器件及其制备方法。这种双阻变层忆阻突触器件在结构上增加了一层金属离子迁移阻挡层，能够有效调控突触器件的电学响应特性，使器件在电学激励下的“阻值变化连续可调”、“突触性能工作稳定”、“器件寿命更为持久”。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于siox:ag/tiox双阻变层的忆阻突触器件，包括从上至下依次设置的上电极、第一阻变层、第二阻变层、下电极；

所述的第一阻变层3是通过反应磁控共溅射方法获得的含银纳米颗粒的siox薄膜，x＝1.8～2.0；

所述忆阻突触器件第二阻变层作为金属离子阻挡层插入在第一阻变层与下电极之间；

所述的第二阻变层4是通过磁控溅射方法获得的tiox薄膜，x＝2.0～2.5；

所述的上电极为采用直流磁控溅射获得的上层金属和下层金属构成的双层复合上电极，总厚度为30nm～100nm；

所述器件的制备方法包括如下步骤：

(1)准备p型重掺杂单晶抛光硅片，并进行清洗和干燥处理；

(2)采用磁控溅射方法在p型重掺杂单晶硅片上制备第二阻变层；

(3)采用反应磁控共溅射方法在第二阻变层上制备第一阻变层；

(4)采用直流磁控溅射方法在第一阻变层上制备上电极。

作为优选方式，所述的第一阻变层3的含银纳米颗粒的siox薄膜，厚度为30nm～50nm，银纳米颗粒体积含量为15％～35％；

作为优选方式，所述的第二阻变层4的tiox薄膜，厚度为8nm～30nm。

作为优选方式，所述的上电极上层金属选自pt、al、cu其中的一种，下层金属为银。

作为优选方式，所述的下电极5为p型重掺杂抛光单晶硅片。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种上述基于siox:ag/tiox双阻变层的忆阻突触器件的制备方法，包括如下步骤：

(1)准备p型重掺杂单晶抛光硅片，并进行清洗和干燥处理；

(2)采用磁控溅射方法在p型重掺杂单晶硅片上制备第二阻变层；

(3)采用反应磁控共溅射方法在第二阻变层上制备第一阻变层；

(4)采用直流磁控溅射方法在第一阻变层上制备上电极。

以上层金属选pt为例，说明本发明的基本工作原理：

在“pt-ag/siox:ag/tiox/p⁺⁺-si”忆阻突触器件中，ag离子在电场作用下进行迁移，ag离子的迁移速率与电场的强弱有关。本发明利用tiox薄膜介电常数大、内建电场小的特点，阻挡或减缓ag离子与下电极的直接接触，从而改善神经突触器件的电学性能。具体地说，当在忆阻器“pt-ag/siox:ag/tiox/p⁺⁺-si”上施加偏置电压时，由于tiox薄膜比siox薄膜的介电常数大，siox薄膜中的电场比tiox薄膜中的电场强，因此，ag离子容易在电场较强的siox薄膜中快速迁移，而很难在电场较弱的tiox薄膜中迁移。

本发明的有益效果为：tiox薄膜能有效地起到阻挡ag离子和下电极直接接触的作用，从而改善忆阻突触器件的电学性能，使其具有“阻值变化连续可调”、“突触性能工作稳定”、“器件寿命更为持久”等特点。

附图说明

图1是本发明的器件结构示意图。

1为上层金属、2为下层金属、3为第一阻变层、4为第二阻变层、5为下电极。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1

本实施例提供了一种基于siox:ag/tiox双阻变层的忆阻突触器件，其结构如图1所示，包括从上至下依次设置的上电极、第一阻变层、第二阻变层、下电极；

所述的第一阻变层3是通过反应磁控共溅射方法获得的含银纳米颗粒的siox薄膜，x＝1.8～2.0，厚度为45nm，银纳米颗粒体积含量为15％。

所述忆阻突触器件第二阻变层作为金属离子阻挡层插入在第一阻变层与下电极之间；

所述的第二阻变层4是通过磁控溅射方法获得的tiox薄膜，x＝2.0～2.5，厚度为8nm。

所述的上电极为采用直流磁控溅射获得的上层金属和下层金属构成的双层复合上电极，总厚度为30nm，上层金属为pt，下层金属为银。

所述的下电极5为p型重掺杂抛光单晶硅片。

本实施例还提供一种所述基于siox:ag/tiox双阻变层的忆阻突触器件的制备方法，包括如下步骤：

(1)准备p型重掺杂单晶抛光硅片，并进行清洗和干燥处理；

(2)采用磁控溅射方法在p型重掺杂单晶硅片上制备第二阻变层；

(3)采用反应磁控共溅射方法在第二阻变层上制备第一阻变层；

(4)采用直流磁控溅射方法在第一阻变层上制备上电极。

(5)完成清洗、干燥后续工序。

实施例2

本实施例提供了一种基于siox:ag/tiox双阻变层的忆阻突触器件，其结构如图1所示，包括从上至下依次设置的上电极、第一阻变层、第二阻变层、下电极；

所述的第一阻变层3是通过反应磁控共溅射方法获得的含银纳米颗粒的siox薄膜，x＝1.8～2.0，厚度为30nm，银纳米颗粒体积含量为35％。

所述忆阻突触器件第二阻变层作为金属离子阻挡层插入在第一阻变层与下电极之间；

所述的第二阻变层4是通过磁控溅射方法获得的tiox薄膜，x＝2.0～2.5，厚度为20nm。

所述的上电极为采用直流磁控溅射获得的上层金属和下层金属构成的双层复合上电极，总厚度为100nm，上层金属为al，下层金属为银。

所述的下电极5为p型重掺杂抛光单晶硅片。

本实施例还提供一种所述基于siox:ag/tiox双阻变层的忆阻突触器件的制备方法，包括如下步骤：

(1)准备p型重掺杂单晶抛光硅片，并进行清洗和干燥处理；

(2)采用磁控溅射方法在p型重掺杂单晶硅片上制备第二阻变层；

(3)采用反应磁控共溅射方法在第二阻变层上制备第一阻变层；

(4)采用直流磁控溅射方法在第一阻变层上制备上电极。

(5)完成清洗、干燥后续工序。

实施例3

本实施例提供了一种基于siox:ag/tiox双阻变层的忆阻突触器件，其结构如图1所示，包括从上至下依次设置的上电极、第一阻变层、第二阻变层、下电极；

所述的第一阻变层3是通过反应磁控共溅射方法获得的含银纳米颗粒的siox薄膜，x＝1.8～2.0，厚度为50nm，银纳米颗粒体积含量为20％。

所述忆阻突触器件第二阻变层作为金属离子阻挡层插入在第一阻变层与下电极之间；

所述的第二阻变层4是通过磁控溅射方法获得的tiox薄膜，x＝2.0～2.5，厚度为30nm。

所述的上电极为采用直流磁控溅射获得的上层金属和下层金属构成的双层复合上电极，总厚度为70nm，上层金属为cu，下层金属为银。

所述的下电极5为p型重掺杂抛光单晶硅片。

本实施例还提供一种所述基于siox:ag/tiox双阻变层的忆阻突触器件的制备方法，包括如下步骤：

(1)准备p型重掺杂单晶抛光硅片，并进行清洗和干燥处理；

(2)采用磁控溅射方法在p型重掺杂单晶硅片上制备第二阻变层；

(3)采用反应磁控共溅射方法在第二阻变层上制备第一阻变层；

(4)采用直流磁控溅射方法在第一阻变层上制备上电极。

(5)完成清洗、干燥后续工序。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。