一种基于铝钪氮的忆阻器、其制备方法及应用

本发明涉及存储器领域，具体地说是一种基于铝钪氮的忆阻器、其制备方法及应用。

背景技术：

1、忆阻器，全称记忆电阻器(memristor)。它是表示磁通与电荷关系的电路器件。忆阻器具有电阻的量纲，但和电阻不同的是，忆阻器的阻值是由流经它的电荷确定。因此，通过测定忆阻器的阻值，便可知道流经它的电荷量，从而有记忆电荷的作用。忆阻器作为第四种基本电路元件，被广泛应用于信息存储、逻辑运算、神经网络、机器学习等众多领域，现今已经成为研究热点。

2、传统的忆阻器通常是采用从上至下依次为顶电极层、中间功能层(或称中间介质层)、底电极层的“三明治”结构，通常采用电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射等真空气相沉积制备，通过调节两个金属电极层之间的电压来改变电阻，实现低阻态和高阻态。目前忆阻器的研究主要是基于氧化物材料的体系。基于氧化物的忆阻器的工作原理是氧空位在电场作用下的迁移，由于氧空位迁移速度缓慢，顶电极和底电极之间很难形成导电细丝，因此基于氧化物的忆阻器的低阻态较难实现，开关比较小，所需偏置电压较大，稳定性较差，随机性过强，这些不利因素很大程度上限制了氧化物忆阻器的发展。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于铝钪氮的忆阻器、其制备方法及应用，该忆阻器基于铝钪氮材料al0.73sc0.27n制备而成，所形成的忆阻器具有很好的稳定性，且能够用于生物神经元的模拟。

2、本发明是这样实现的：一种基于铝钪氮的忆阻器，其结构包括由下至上依次设置的si基底、sio2层、pt底电极层、al0.73sc0.27n功能层和pd顶电极层。

3、优选的，上述方案中，al0.73sc0.27n功能层的厚度为10nm～20nm，pd顶电极层的厚度为50nm～80nm。

4、优选的，上述方案中，pd顶电极层包括若干均匀分布在al0.73sc0.27n功能层上的直径为80～300μm的圆形电极。

5、本发明所提供的基于铝钪氮的忆阻器的制备方法，包括如下步骤：

6、(a)对基体进行预处理；所述基体由下至上依次包括si基底、sio2层、pt底电极层；

7、(b)将基体固定到磁控溅射设备腔体的衬底台上，将al0.73sc0.27n靶材固定到靶台上，并将腔体抽真空至2×10-4pa，向腔体内通入流量为50sccm的ar，调整插板阀使腔体内的压强维持1pa，打开控制al0.73sc0.27n靶材起辉的射频源，调整射频源功率，使al0.73sc0.27n靶材起辉，预溅射1～5min，之后正式溅射5min，在pt底电极层上镀上al0.73sc0.27n功能层；

8、(c)将掩膜版放置在形成了al0.73sc0.27n功能层的基体上，将腔体抽真空至2×10-4pa，向腔体内通入流量为20～30sccm的ar，调整节流阀使腔体内的压强维持1pa，打开控制pd靶材起辉的直流源，调整直流源功率使pd靶材起辉，预溅射1～2min，之后正式溅射10～12min，在al0.73sc0.27n功能层上形成pd顶电极层。

9、优选的，步骤(b)中调整射频源功率为150w；步骤(c)中调整直流源功率为10w。

10、优选的，所制备的al0.73sc0.27n功能层的厚度为10nm～20nm，pd顶电极层的厚度为50nm～80nm。

11、优选的，步骤(a)对基体进行预处理，具体是：将基体依次放入装有丙酮、酒精和去离子水的烧杯中用超声波清洗，之后取出用n2吹干。

12、本发明所制备的基于铝钪氮的忆阻器可以实现神经仿生的功能，以便于用来制备神经元仿生器件。

13、本发明al0.73sc0.27n陶瓷靶材属于市售商品。

14、本发明通过成分比例固定的al0.73sc0.27n陶瓷作为溅射靶材，形成了al0.73sc0.27n功能层，最终制成了基于铝钪氮的忆阻器。制备过程中，采用al0.73sc0.27n陶瓷靶材进行高能量射频直接溅射，形成了非晶薄膜，该制备工艺相比现有技术中反应溅射方式(氮气环境下，铝靶、钪靶同时溅射)具有工艺简单、制备条件容易操控的优点，且不会出现靶材中毒现象，薄膜中也不会形成aln和scn并存的现象，避免了反应溅射al、sc比例偏离，薄膜性能不高等诸多问题。

15、本发明制备的忆阻器由于使用了宽带隙铝钪氮优化器件性能，因此有别于传统使用氧化物制备的存储器件，性能表现良好，可以用于模拟生物神经元功能，使忆阻器模拟生物神经元的可塑性性能应用前景更为广阔。

技术特征：

1.一种基于铝钪氮的忆阻器，其特征是，其结构包括由下至上依次设置的si基底、sio2层、pt底电极层、al0.73sc0.27n功能层和pd顶电极层。

2.根据权利要求1所述的基于铝钪氮的忆阻器，其特征是，al0.73sc0.27n功能层的厚度为10nm～20nm，pd顶电极层的厚度为50nm～80nm。

3.根据权利要求1所述的基于铝钪氮的忆阻器，其特征是，pd顶电极层包括若干均匀分布在al0.73sc0.27n功能层上的直径为80～300μm的圆形电极。

4.一种基于铝钪氮的忆阻器的制备方法，其特征是，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的基于铝钪氮的忆阻器的制备方法，其特征是，步骤(b)中调整射频源功率为150w；步骤(c)中调整直流源功率为10w。

6.根据权利要求4所述的基于铝钪氮的忆阻器的制备方法，其特征是，所制备的al0.73sc0.27n功能层的厚度为10nm～20nm，pd顶电极层的厚度为50nm～80nm。

7.根据权利要求4所述的基于铝钪氮的忆阻器的制备方法，其特征是，步骤(a)对基体进行预处理，具体是：将基体依次在丙酮、酒精和去离子水中用超声波清洗，之后取出用n2吹干。

8.权利要求1-3任一项所述基于铝钪氮的忆阻器在制备神经元仿生器件中的应用。

技术总结
本发明提供了一种基于铝钪氮的忆阻器、其制备方法及应用。通过成分比例固定的Al<subgt;0.73</subgt;Sc<subgt;0.27</subgt;N铝钪氮陶瓷作为溅射靶材，利用高能量射频溅射到Pt底电极层上，避免了反应溅射Al、Sc比例偏离、薄膜性能不高等问题。该忆阻器的制备方法如下：清洗、干燥基体；在Pt底电极层上通过磁控溅射法生长Al<subgt;0.73</subgt;Sc<subgt;0.27</subgt;N功能层；在Al<subgt;0.73</subgt;Sc<subgt;0.27</subgt;N功能层上生长Pd顶电极层。本发明所提供的忆阻器与传统记忆存储器件相比，提高了它们在人工中的潜在应用，在模拟神经元系统中开发实现新的生物神经元功能，其性能表现良好，是一种具有模拟生物神经元行为的潜力、存储性能佳、能耗低、应用前景更为广阔的记忆存储器。

技术研发人员：闫小兵,李悦荣
受保护的技术使用者：河北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13