一种反铁电选通管忆阻器、其制备方法及应用

本发明涉及存储器，具体地说是一种反铁电选通管忆阻器、其制备方法及应用。

背景技术：

1、大数据时代需要存储和处理的数据量呈现爆发式增长，而传统基于cmos器件的冯·诺依曼计算架构已经达到技术瓶颈，发展逐渐变缓，因此寻找新的物理机制的存储器件以及发展新的计算范式已经成为学术界和工业领域关注的重点。基于忆阻器的存算一体技术因其速度快、能耗小、集成度密高以及能够实现对神经传导功能模拟等优点，被认为是下一代存储器和类脑计算网络最有力的竞争者。利用阈值转换器件行为特性与生物神经元的相似性，通过搭建人工神经元电路，进而模拟人脑来突破传统计算机架构的限制。同时生物神经元具有随机激发的行为特性，对量化计算结果的不确定性有一定的借鉴意义。目前，存储器的主要类型有铁电存储器、磁性存储器、相变存储器和阻变式存储器。其中相变存储器结构简单、操作速度快、耐受性好，且功耗低，读写速度快，易于集成等优点而被广泛认为是下一代易失性神经元器件的有力竞争者之一。

2、对于反铁电体已经有不少理论研究，从早期的热力学理论到近年用晶格动力学模型解释反铁电相变。不过反铁电之所以引起人们重视，主要是因为在许多方面有所应用。反铁电材料在高储能电容器、爆电换能器、热释电探测器、可调压电脉冲控制器等诸多方面具有潜在应用。反铁电薄膜有关存储特性的主要应用有两个方向：一个是为铁电薄膜提供替代性的薄膜，在压电、高介质、可调滤波电容等领域都可以和铁电薄膜相互替换，而且反铁电薄膜具有本身的优势，即它没有剩余极化，这个特性可以在某些方面比铁电薄膜更具优势。另外一个应用方向是基于它本身的性质特点的，如在电荷存储器件领域，反铁电薄膜有着无可比拟的优势，不仅介电常数更高，而且具备晶向极化存储电荷的功能。这些存储的电荷能够在外场撤销的时候释放掉，因此反铁电薄膜更适合做易失型器件。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种反铁电选通管忆阻器、其制备方法及应用，该反铁电选通管忆阻器在外加电场作用下可由相变引起电阻变化，可用来模拟生物神经元对外部刺激的反应。

2、本发明是这样实现的：

3、一种反铁电选通管忆阻器，其结构由下至上依次包括：si衬底、钛酸锶缓冲层、镧锶锰氧底电极、锆酸铅功能层和pd顶电极。

4、上述方案中，所述镧锶锰氧底电极的厚度为30nm左右，溅射时间为30min。

5、上述方案中，所述锆酸铅功能层的厚度为220nm。

6、上述方案中，所述pd顶电极的厚度为40nm，所述pd顶电极包括若干均匀分布在锆酸铅功能层上的直径为50μm的圆形电极。

7、本发明还提供了一种反铁电选通管忆阻器的制备方法，包括以下步骤：

8、(1)对si衬底进行预处理；

9、(2)将si衬底放入真空腔体内，抽真空，升温，注入氧气，采用钛酸锶靶材进行预溅射10min，之后正式溅射15min，沉积10min，在si衬底上形成钛酸锶缓冲层；之后采用镧锶锰氧靶材溅射30min，沉积10min，在钛酸锶缓冲层上形成镧锶锰氧底电极；再采用锆酸铅靶材溅射60min，沉积10min，在镧锶锰氧底电极上形成锆酸铅功能层；

10、(3)在形成锆酸铅功能层的衬底上放置掩膜版，抽真空，向腔体内通入ar，打开控制靶材起辉的交流源，调整交流源功率，使pd靶材起辉，预溅射4～6min；之后正式溅射，在锆酸铅功能层上形成pd顶电极。

11、上述制备方法中，步骤(1)具体是：将si衬底先放入丙酮溶液中超声波清洗10min，去除其表面的污渍，再放入酒精溶液中超声波清洗10min，取出后用高纯氮气吹干备用。

12、上述制备方法中，步骤(2)具体是：将si衬底放入真空腔体中；关好腔体的密封门后，打开机械泵，随后缓慢打开旁抽阀，待腔体内压强降到0.5pa以下后，关闭旁抽阀；打开分子泵启动开关，之后缓慢打开前级阀、闸板阀，直至压强抽到2×10-4pa；开始进行升温，调节闸板阀至微开状态，将20sccm流量的氧气注入腔体中，调节闸板阀使腔体内压强稳定在1pa；等待温度升到750℃准备溅射，为了去除靶材表面污染物，在正式沉积钛酸锶薄膜之前，先进行10min的预溅射；之后正式溅射钛酸锶薄膜15min，然后沉积10min，在si衬底上形成钛酸锶缓冲层；随后温度保持不变，调节压强至26pa，开始沉积镧锶锰氧薄膜，溅射时间为30min，沉积10min，在钛酸锶缓冲层上形成镧锶锰氧底电极；最后调节温度至550℃，调节压强至16pa，开始沉积锆酸铅薄膜，溅射60min并沉积10min，在镧锶锰氧底电极上形成锆酸铅功能层；之后关闭插板阀，关闭分子泵，待转速降为0，关前级阀，关机械泵，向腔体中充入氩气，在衬底上形成了si/sto/lsmo/pzo的薄膜结构。

13、上述制备方法中，步骤(3)具体是：在形成锆酸铅功能层的衬底上放置掩膜版，掩膜版上均布有直径为50μm的圆形孔；将腔体抽真空至5×10-4pa，向腔体内通入流量为25sccm的ar，调整接口阀使腔体内的压强维持1pa，打开控制靶材起辉的交流源，调整交流源功率为10w，使pd靶材起辉，预溅射4～6min；之后正式溅射，在锆酸铅功能层上形成pd顶电极。

14、上述制备方法中，步骤(2)中，锆酸铅功能层沉积是指在氧气压强为3000pa的环境下进行降温。

15、上述制备方法中，步骤(3)中pd顶电极的厚度为40nm，正式溅射时间为10min。

16、本发明制备的反铁电选通管忆阻器是基于反铁电材料所实现的新型选通管忆阻器件，关键点是在于在si兼容衬底上用脉冲激光沉积法和射频磁控溅射法得到功能层锆酸铅和电极层。

17、本发明中的反铁电选通管忆阻器，其高低电阻可以在一定的极性电压下重复切换，可以利用其在电场作用下的反铁电到铁电相变来模拟生物神经元的整合过程，因此该忆阻器是极具应用前景的新一代忆阻器。

18、将本发明中的反铁电选通管忆阻器应用于lif神经元电路结构中，可以来模拟生物神经元的应激反应。

19、具体地，本发明所提供的lif神经元电路结构包括函数信号发生器、输入电阻、并联电容、输出电阻和反铁电选通管忆阻器；其中，电路输入端连接函数信号发生器，函数信号发生器通过输入电阻与反铁电选通管忆阻器的一端相接，反铁电选通管忆阻器的另一端连接电路输出端；所述并联电容的一端与输入电阻和反铁电选通管忆阻器的连接点相接，另一端接地；所述输出电阻的一端连接电路输出端，另一端接地。

20、优选的，输入电阻和输出电阻的阻值分别为290k和18k，并联电容的电容值为10nf。

21、本发明提供的反铁电选通管忆阻器中的sto、lsmo、pzo均是通过脉冲激光沉积系统制备所得，首先通过脉冲激光沉积系统在si衬底上制备sto缓冲层，然后在sto缓冲层上制备lsmo底电极，之后在lsmo底电极上制备pzo功能层。最后用磁控溅射系统在pzo功能层上生长了pd顶电极。本发明提供的制备方法简单易行、操作性好，制备的反铁电选通管忆阻器通过性能检测证明其具有良好的开关特性，呈现出较为稳定的阻值变化，其进行电学测试时显示电流数量级较小，实现器件的低功耗。而且该反铁电选通管忆阻器在外加电场作用下由相变引起的电阻变化行为对于模拟生物神经元对外部刺激的反应具有重要意义。

22、在生物神经系统中，来自前神经元的电尖峰信息被传输到后神经元的树突，并传递到神经细胞体，然后神经细胞体整合接收到的信息，并在膜电位达到阈值时触发动作电位。后神经元将接收轴突产生的动作电位，然后使膜电位去极化到静息状态。由于在电场作用下反铁电材料所产生的极化翻转是容易松弛的。所以其固有的极化和去极化过程可以反映膜电位的动态变化过程。本发明所提供的lif神经元电路是基于反铁电选通管忆阻器构建的，以建立反铁电的固有挥发性特性与集成/泄漏神经元功能之间的动态关系。