一种基于TaOx电子型忆阻器的温感算器件及阵列

本发明属于微纳米电子器件领域，更具体地，涉及一种基于taox电子型忆阻器的温感算器件及阵列。

背景技术：

1、近年来，随着物联网的快速发展，越来越多物品被嵌入传感器，边缘端计算变得越来越重要，越来越多来自各种传感器的信息需要被处理。在传统的架构中，传感器和处理单元是分开的。传感器感知的数据往往还需要通过模数转换器转换成数字信号，而后经过储存单元发送到处理单元。大量的冗余数据将参与到数据传输过程中，往往会导致高功耗、高延迟和额外的硬件成本。受生物神经感知系统启发，感算一体这一方案被提出来解决这一问题，能够在感知端内部直接进行计算，传感器能够在信号转换的同时执行信息处理，无需模数转换器的参与，能够减少冗余数据的传输。

2、温度是重要的物理信息，是仿生神经网络中重要感知的物理量之一。然而，目前常用的温感算单元一般是由电阻、电容和阈值转变器件等多个电子元件构成，温度感知器件与信息处理单元分离，因此搭建的温感算阵列及电路结构复杂、制造工艺复杂、难以微缩和集成度难以提高，而且因为阵列结构复杂，实现感算功能所需的功耗高、速度慢和时延高。

3、因此，探索可以实现高集成度的温感算一体方案，对物联网和后续仿生人工神经网络的发展至关重要，能够进一步减少传感器端尺寸，改善感算分离造成的阵列及电路结构复杂、集成度低、高功耗和高延迟等问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于taox电子型忆阻器的温感算器件及阵列，旨在解决现有人工温度感知系统由于感算分离造成的阵列及电路结构复杂、集成度低、高功耗、高延时等的问题。

2、为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种基于taox电子型忆阻器的温感算器件，包括由下而上依次叠设的第一金属层、功能层和第二金属层；

3、第一金属层内金属材料的功函数高于第二金属层内金属材料的功函数；功能层为taox材料；

4、所述第一金属层和第二金属层作为电极，当第一金属层用于接地，第二金属层用于施加正负电压时，第二金属层施加负向电压时的输出电流大于第二金属层施加相同大小正向电压时的输出电流，具有自整流效应；在第二金属层施加相同大小电压时，输出电流随着温度的升高而增大。

5、进一步优选地，第一金属层的材料为pt、pd、au、ni及ito中的一种；第二金属层的材料为ti、w、ag、cu、al、ta、hf、tan、tin及tiw中的一种。

6、进一步优选地，第一金属层的厚度为5nm～2μm，功能层的厚度为2nm～500nm，第二金属层的厚度为5nm～2μm。

7、另一方面，本发明提供了基于taox电子型忆阻器的温感算阵列，包括：m个设有间隙的不相交的第一金属层、功能层和n个设有间隙的不相交的第二金属层；功能层为taox材料；第一金属层和第二金属层之间交叉布设且不相交；所述第一金属层内金属材料的功函数高于所述第二金属层内金属材料的功函数；

8、其中，m≥1，n≥1,阵列中存在m×n个温感算器件。

9、进一步优选地，所述功能层的尺寸与第一金属层和第二金属层交叠处大小适配。

10、进一步优选地，第一金属层的材料为pt、pd、au、ni及ito中的一种；第二金属层的材料为ti、w、ag、cu、al、ta、hf、tan、tin及tiw中的一种。

11、进一步优选地，第一金属层的厚度为5nm～2μm，功能层的厚度为2nm～500nm，第二金属层的厚度为5nm～2μm。

12、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

13、本发明提供了一种基于taox电子型忆阻器的温感算器件及阵列，在该器件中第一金属层内金属材料的功函数高于第二金属层内金属材料的功函数，使得器件具有自整流特性，可以用于构建交叉阵列，无需选通器件，器件及阵列结构更简单，集成度更高，更易于工业实现及小尺寸传感系统应用。

14、本发明提供了一种基于taox电子型忆阻器的温感算器件及阵列，其中，向第二金属层施加相同大小负向电压时，器件的输出电流能够随着温度的升高而增大，一个taox电子型忆阻器件能够同时完成温度感知及计算的功能，多个器件组成的阵列完成较复杂的计算及应用功能，可以实现高集成度的温度感知及计算功能，无需多余的温度传感器及数据传送电路，能够有效改善冗余数据传输过程产生的高功耗和高延时等问题。

技术特征：

1.一种基于taox电子型忆阻器的温感算器件，其特征在于，由下而上依次叠设的第一金属层、功能层和第二金属层；

2.根据权利要求1所述的温感算器件，其特征在于，所述第一金属层的材料为pt、pd、au、ni及ito中的一种；所述第二金属层的材料为ti、w、ag、cu、al、ta、hf、tan、tin及tiw中的一种。

3.根据权利要求1至2所述的温感算器件，其特征在于，所述第一金属层的厚度为5nm～2μm，所述功能层的厚度为2nm～500nm，所述第二金属层的厚度为5nm～2μm。

4.一种基于权利要求1所述的温感算器件的taox电子型忆阻器的温感算阵列，其特征在于，包括：m个设有间隙的不相交的第一金属层、功能层和n个设有间隙的不相交的第二金属层；所述功能层为taox材料；所述第一金属层和所述第二金属层之间交叉布设且不相交；所述第一金属层内金属材料的功函数高于所述第二金属层内金属材料的功函数；

5.根据权利要求4所述的温感算阵列，其特征在于，所述功能层的尺寸与所述第一金属层和所述第二金属层交叠处大小适配。

6.根据权利要求4所述的温感算阵列，其特征在于，所述第一金属层的材料为pt、pd、au、ni及ito中的一种；第二金属层的材料为ti、w、ag、cu、al、ta、hf、tan、tin及tiw中的一种。

7.根据权利要求4至6任一所述的温感算阵列，其特征在于，所述第一金属层的厚度为5nm～2μm，所述功能层的厚度为2nm～500nm，所述第二金属层的厚度为5nm～2μm。

技术总结
本发明提供了一种基于TaO<subgt;x</subgt;电子型忆阻器的温感算器件及阵列，属于微纳米电子器件领域，温感算器件包括由下而上依次叠设的第一金属层、功能层和第二金属层；第一金属层内金属材料的功函数高于第二金属层内金属材料的功函数；功能层为TaO<subgt;x</subgt;材料；第一金属层接地，第二金属层施加正负电压；其中，第二金属层施加负向电压时的输出电流大于第二金属层施加相同大小正向电压时的输出电流，具有自整流效应；在第二金属层施加相同大小电压时，输出电流随着温度的升高而增大。本发明提供的器件及阵列结构更简单，集成度更高，更易于工业实现及小尺寸传感系统应用，能够有效改善冗余数据传输过程产生的高功耗和高延时等问题。

技术研发人员：程晓敏,曹丽娟,罗云皓,李家琪,缪向水
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/5