一种扩散型忆阻器及其制备方法

本发明涉及电子器件，特别涉及一种扩散型忆阻器及其制备方法。

背景技术：

1、随着摩尔定律接近其极限，冯·诺伊曼结构的限制已变得越来越明显，人们提出用类脑芯片来实现类脑计算以解决进行大量信息处理时的功耗和速度问题。忆阻器全称记忆电阻器，是表示磁通与电荷关系的电路器件。忆阻具有电阻的量纲，但和电阻不同的是，忆阻的阻值是由流经它的电荷确定，因此，通过测定忆阻的阻值，便可知道流经它的电荷量，从而有记忆电荷的作用。忆阻器作为类脑芯片的基础元件，具有结构简单、功耗低、集成密度高等优点，已经获得了极大的关注。

2、针对高密度集成和进一步的多用途应用，研究人员将忆阻器制造成由一组平行的底电极和垂直的顶电极组成的无源交叉阵列，中间为阻变层，在每个交叉点，通过寻址特定的器件，二进制信息可以存储为高阻态(即“0”)或低阻态(即“1”)，可以将器件尺寸减少到4f2(f是最小特征尺寸)，因此对于高密度存储器集成非常有吸引力。但是，串扰电流问题制约了忆阻交叉阵列实现高密度集成，当被编程/读取的器件处于高阻态，而周围的器件处于低阻态时，这个器件的状态可能会被误读，从而降低了忆阻器阵列的可靠性。

3、现有解决串扰电流问题的技术是采用忆阻器级联一个选择单元，包括晶体管、二极管、选通器，来实现对忆阻器高低阻态的不同区域进行选择，从而避免忆阻器的误读。但双器件级联的集成密度扩大，所以需要采用将忆阻器和选择单元结合成单个器件的解决方案。目前已有忆阻器和二极管结合成单一器件的解决方案——自整流忆阻器，如公开号为cn113206194a的发明专利，公开了一种自整流忆阻器、制备方法及其应用，该自整流忆阻器由底电极、阻变层和顶电极依次叠加而成，其阻变层为掺杂的金属氧化物。该自整流忆阻器虽然成功解决了潜行电流问题，但其所具有的自整流特性使得器件只具备单向选通能力，无法运用于需要双向选通的环境。选通器是能够实现双向选通能力的选择单元，但目前还没有选通器和忆阻器结合成单一器件的解决串扰电流问题的方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有高开关比、低操作电流和具备双向选通能力的忆阻器及其制备方法。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种扩散型忆阻器，包括自下而上顺次设置的底电极、氧化物、二维材料和顶电极；

3、所述底电极的材料为氧化铟锡；所述氧化物的材料为氧化铝；所述二维材料的材料为氧化石墨烯；所述顶电极的材料为银。

4、进一步地，所述氧化铝的厚度为7nm。

5、进一步地，所述氧化石墨烯的厚度为50nm。

6、进一步地，所述银的厚度为120nm。

7、进一步地，所述扩散型忆阻器的正向高阻态电阻为1011ω，负向高阻态电阻为109ω，低阻态电阻为106ω，所述扩散型忆阻器在正负向的开关比分别为105和103。

8、一种如所述扩散型忆阻器的制备方法，包括以下步骤：

9、步骤1、采用原子层沉积的方法，在底电极氧化铟锡层上生长氧化铝层；

10、步骤2、采用旋涂和加热烘干的方法，在氧化铝层上生长均匀的氧化石墨烯层；

11、步骤3、将步骤2所得样本与掩模板对齐，然后采用电子束蒸发技术，在氧化石墨烯层上蒸镀，形成对应的图案化的银电极层。

12、进一步地，步骤1所述的采用原子层沉积的方法，在底电极氧化铟锡层上生长氧化铝层，具体如下：

13、步骤1.1、将氧化铟锡层放入原子层沉积设备的反应室中，设置温度，对氧化铟锡层进行预处理，去除表面吸附的杂质和水分；

14、步骤1.2、将三甲基铝和水作为前体进入反应室，与氧化铟锡层表面反应，形成一层铝氧化物的原子层，将氧化铝薄膜的一部分原子沉积在氧化铟锡层上；

15、步骤1.3、将氮气作为清洗气体，冲洗反应室，以去除未反应的前体气体和副产物；

16、步骤1.4、将氧气前体气体进入反应室，与剩余的三甲基铝前体和氧化铟锡层表面反应，形成氧化铝的另一层原子层，继续将氧化铝沉积到氧化铟锡层上；

17、步骤1.5、再次将氮气作为清洗气体，冲洗反应室，确保反应室内的气氛准备好进行下一轮原子层沉积；

18、步骤1.6、根据所需的氧化铝层厚度，重复步骤1.1~步骤1.5，直到达到所需的氧化铝层厚度。

19、进一步地，步骤1中原子层沉积的具体参数为：

20、沉积温度200°c，沉积室压低于0.4mbar，单次沉积生长的氧化铝为0.1nm，生长70个周期形成7nm的氧化铝层。

21、进一步地，步骤2所述的采用旋涂和加热烘干的方法，在氧化铝层上生长均匀的氧化石墨烯层，具体如下：

22、步骤2.1、使用移液器取100μl的0.5mg/ml的氧化石墨烯水分散液，涂覆在氧化铝层上；

23、步骤2.2、设置旋涂机旋转速度为200转/分钟，持续18秒，确保分散液在整个氧化铝层上均匀分布；

24、步骤2.3、设置旋涂机旋转速度为1800转/分钟，持续60秒，得到分布均匀的氧化石墨烯水膜；

25、步骤2.4、将旋涂完成后的样品置于加热台上在80℃下加热20分钟，在氧化铝上形成厚度为50nm的氧化石墨烯膜层。

26、进一步地，步骤3所述的将步骤2所得样本与掩模板对齐，然后采用电子束蒸发技术，在氧化石墨烯层上蒸镀，形成对应的图案化的银电极层，具体如下：

27、步骤3.1、将生长有氧化石墨烯的基片置于掩模版放置在真空室内，降低真空室内气压到小于5.0e-4pa；

28、步骤3.2、利用高能电子束轰击坩埚内的银，使银蒸发到样品上并在氧化石墨烯层上沉积形成图案化的银电极层，银电极层厚度为120nm。

29、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）引入氧化铝层，提高了器件的开关比，同时使器件能在低电流模式下工作；（2）引入氧化石墨烯层，降低了开关电压；（3）氧化石墨烯层和氧化铝层结合，分别主导正向阈值开关和负向阈值开关能力，使扩散型忆阻器拥有双向选通能力，同时又能够在低压下模拟突触短期可塑性，有利于器件未来在类脑计算领域的应用和发展。

技术特征：

1.一种扩散型忆阻器，其特征在于，包括自下而上顺次设置的底电极、氧化物、二维材料和顶电极；

2.根据权利要求1所述的扩散型忆阻器，其特征在于，所述氧化铝的厚度为7nm。

3.根据权利要求1所述的扩散型忆阻器，其特征在于，所述氧化石墨烯的厚度为50nm。

4.根据权利要求1所述的扩散型忆阻器，其特征在于，所述银的厚度为120nm。

5.根据权利要求1所述的扩散型忆阻器，其特征在于，所述扩散型忆阻器的正向高阻态电阻为1011ω，负向高阻态电阻为109ω，低阻态电阻为106ω，所述扩散型忆阻器在正负向的开关比分别为105和103。

6.一种如权利要求1~5任一项所述扩散型忆阻器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的扩散型忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤1所述的采用原子层沉积的方法，在底电极氧化铟锡层上生长氧化铝层，具体如下：

8.根据权利要求7所述的扩散型忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤1中原子层沉积的具体参数为：

9.根据权利要求6所述的扩散型忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤2所述的采用旋涂和加热烘干的方法，在氧化铝层上生长均匀的氧化石墨烯层，具体如下：

10.根据权利要求6所述的扩散型忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤3所述的将步骤2所得样本与掩模板对齐，然后采用电子束蒸发技术，在氧化石墨烯层上蒸镀，形成对应的图案化的银电极层，具体如下：

技术总结
本发明公开了一种扩散型忆阻器及其制备方法，该扩散型忆阻器包括自下而上顺次设置的底电极、氧化物、二维材料和顶电极，其中所述底电极的材料为氧化铟锡，所述氧化物的材料为氧化铝，所述二维材料的材料为氧化石墨烯，所述顶电极材料的材料为银。制备方法为：首先采用原子层沉积的方法，在底电极氧化铟锡层上生长氧化铝层；然后采用旋涂和加热烘干的方法，在氧化铝层上生长均匀的氧化石墨烯层；最后将样本与掩模板对齐，采用电子束蒸发技术，在氧化石墨烯层上蒸镀，形成对应的图案化的银电极层。本发明扩散型忆阻器具有高开关比、低操作电流和具备双向选通能力的优势。

技术研发人员：俞叶峰,金俊程,刘陈,肖亦可
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15