全光控忆阻器、提升其光擦除性能的方法及制备方法

本申请属于一种全光控忆阻器的改进方法，具体涉及一种全光控忆阻器、提升其光擦除性能的方法及制备方法。

背景技术：

1、1936年图灵机器的出现奠定了现代计算机发展的基石。此后，随着各种新型电子器件及集成电路技术的出现，计算机在硬件性能与软件算法等方面均取得了突飞猛进的发展。然而，目前普遍使用的计算机基于冯·诺依曼计算架构，受限于处理单元与内存单元的物理分立，使这种传统计算机面临一系列问题与挑战。例如，数据传输与处理的时效性、系统运行能耗等，均难以满足大数据时代迫切的高算力需求。相较而言，人类大脑依靠高度并行计算与事件驱动的运行模式，具有超低的功耗和超高的计算效率，在处理实时信息和学习决策等方面能力远超传统结构的计算机。受脑启发的神经形态(类脑)计算被广泛认为是实现新一代人工智能最有潜力的选择之一。然而，目前作为类脑芯片核心的突触与神经元单元往往需要多个电子元器件与复杂的外围电路共同参与，使得类脑芯片在尺寸、功耗和计算效率等方面，与人脑仍存在明显差距。在此发展过程中，作为类脑计算关键的神经形态器件也经历了飞速发展，基于不同结构与工作原理的器件不断涌现。

2、忆阻器作为一种非易失性存储器，由于结构简单、尺寸易微缩，成为构造大规模、高集成密度芯片的理想器件。同时，凭借本征非线性、非易失性和低功耗等特点，在神经形态计算领域凸显出巨大的优势。其中，全光控忆阻器的主要特性在于，在光信号作用下既可实现增大器件电导的光写入操作，也可实现降低器件电导的光擦除操作。虽然近年来科研人员已经成功研发出全光控忆阻器，但受限于半导体材料固有的光电效应，光写入特性较容易实现，光擦除特性却难以实现。例如，jing yang等人在《fundamental research》中发表的“optically driven intelligent computing with zno memristor”中，介绍了一种底电极层为铂，中间介质层为单层氧化锌薄膜，顶电极层为金的全光控忆阻器，器件良率往往较低，一般会低于80％。lingxiang hu等人在《advanced functional materials》中发表的“all-optically controlled memristor for optoelectronic neuromorphiccomputing”中，介绍了一种底电极层为铂，中间介质层为双层铟镓锌氧(富氧铟镓锌氧层/缺氧铟镓锌氧层)，顶电极层为金的全光控忆阻器，器件良率也往往较低，一般会低于70％。

3、综上，目前报道的全光控忆阻器由于光擦除特性较差，器件良率普遍较低，亟需发展一种有效提升全光控忆阻器光擦除性能的方法。

技术实现思路

1、本申请的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种全光控忆阻器、提升其光擦除性能的方法及制备方法，能够有效提高全光控忆阻器良率。

2、为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本申请提出一种提升全光控忆阻器光擦除性能的方法，所述全光控忆阻器包括由下至上依次设置的衬底、底电极层、中间介质层和顶电极层；所述方法包括：

4、根据中间介质层需要达到的内应力释放效果，确定顶电极层的材料可塑性；并通过选择顶电极层和底电极层的材料功函数，形成顶电极层和底电极层的材料组合，使中间介质层与顶电极层之间、中间介质层与底电极层之间均形成肖特基接触。

5、进一步地，所述方法包括，按照以下顺序执行：

6、(1)根据化学惰性，对顶电极层和底电极层的可选金属进行筛选；

7、(2)通过选择顶电极层和底电极层的材料功函数，形成顶电极层和底电极层的材料组合，使中间介质层与顶电极层之间、中间介质层与底电极层之间均形成肖特基接触；

8、(3)根据中间介质层需要达到的内应力释放效果，确定顶电极层的材料可塑性。

9、第二方面，本申请提出一种全光控忆阻器，包括由下至上依次设置的衬底、底电极层、中间介质层和顶电极层；所述底电极层和顶电极层的材料组合，采用上述提升全光控忆阻器光擦除性能的方法进行确定。

10、进一步地，所述顶电极层和底电极层的材料组合为：铂和铂组合、铂和钯组合、铂和铱组合、钯和铂组合、钯和钯组合或钯和铱组合。

11、进一步地，所述中间介质层的材料为氧化锌。

12、进一步地，所述顶电极层的材料为铂或钯。

13、进一步地，所述底电极层的材料为铂、铱或钯。

14、第三方面，本申请提出一种上述全光控忆阻器的制备方法，包括：

15、采用磁控溅射工艺在衬底上制备底电极层的材料；

16、采用磁控溅射工艺在底电极层的材料上制备中间介质层的材料薄膜；

17、采用电子束蒸发工艺在中间介质层的材料薄膜上制备顶电极层的材料。

18、进一步地，所述采用磁控溅射工艺在衬底上制备底电极层的材料，包括：

19、磁控溅射工艺中的溅射功率为20～200w；所述底电极层的材料厚度为1～500nm。

20、进一步地，所述采用磁控溅射工艺在底电极层的材料上制备中间介质层的材料薄膜，包括：

21、磁控溅射工艺中的溅射功率为20～200w，溅射气氛为氩气，沉积温度为室温～100℃；所述中间介质层的材料薄膜厚度为5～500nm。

22、进一步地，所述采用电子束蒸发工艺在中间介质层的材料薄膜上制备顶电极层的材料，包括：

23、电子束蒸发工艺中的生长速率为所述顶电极层的材料厚度为1～30nm。

24、与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

25、本申请提出一种提升全光控忆阻器光擦除性能的方法，根据中间介质层需要达到的内应力释放效果，确定顶电极层的材料可塑性。由于中间介质层一般采用氧化物，低温生长的氧化物半导体材料存在较大的内应力，会严重影响器件性能，通过这样的选材方法，可以有效释放材料内应力，有助于提高器件的全光控特性。更重要的是，本申请通过顶电极层和底电极层的材料组合，使中间介质层与顶电极层之间、中间介质层与底电极层之间均形成良好的肖特基接触。在光写入时有利于提高器件电导态的保持性，在光擦除时，金属电极中的电子可以通过光辅助隧穿或直接越过肖特基势垒进入氧化物半导体导带中，部分电子中和了带电氧空位，拓宽肖特基势垒，隧穿电流减小，器件电导降低，进而有利于改善器件的光擦除特性。

26、本申请还提出了一种全光控忆阻器，通过上述方法确定顶电极层、底电极层和中间介质层的材料，能够有效提升全光控忆阻器光擦除性能，具备上述方法的全部优势。

27、本申请还提出了一种全光控忆阻器的制备方法，同样具备上述全光控忆阻器的全部优势。

技术特征：

1.一种提升全光控忆阻器光擦除性能的方法，所述全光控忆阻器包括由下至上依次设置的衬底、底电极层、中间介质层和顶电极层；其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述一种提升全光控忆阻器光擦除性能的方法，其特征在于，所述方法包括，按照以下顺序执行：

3.一种全光控忆阻器，包括由下至上依次设置的衬底、底电极层、中间介质层和顶电极层；其特征在于：所述底电极层和顶电极层的材料组合，采用权利要求1或2所述提升全光控忆阻器光擦除性能的方法进行确定。

4.根据权利要求3所述一种全光控忆阻器，其特征在于，所述顶电极层和底电极层的材料组合为：铂和铂组合、铂和钯组合、铂和铱组合、钯和铂组合、钯和钯组合或钯和铱组合。

5.根据权利要求3或4所述一种全光控忆阻器，其特征在于，所述中间介质层的材料为氧化锌。

6.根据权利要求3所述一种全光控忆阻器，其特征在于，所述顶电极层的材料为铂或钯。

7.根据权利要求3所述一种全光控忆阻器，其特征在于，所述底电极层的材料为铂、铱或钯。

8.一种权利要求3至7任一所述全光控忆阻器的制备方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述一种全光控忆阻器的制备方法，其特征在于，所述采用磁控溅射工艺在衬底上制备底电极层的材料，包括：

10.根据权利要求9所述一种全光控忆阻器的制备方法，其特征在于，所述采用磁控溅射工艺在底电极层的材料上制备中间介质层的材料薄膜，包括：

11.根据权利要求10所述一种全光控忆阻器的制备方法，其特征在于，所述采用电子束蒸发工艺在中间介质层的材料薄膜上制备顶电极层的材料，包括：

技术总结
本申请提出一种提升全光控忆阻器光擦除性能的方法，根据中间介质层需要达到的内应力释放效果，确定顶电极层的材料可塑性。由于中间介质层一般采用氧化物，低温生长的氧化物半导体材料存在较大的内应力，会严重影响器件性能，通过这样的选材方法，可以有效释放材料内应力，有助于提高器件的全光控特性。并通过顶电极层和底电极层的材料组合，使中间介质层与顶电极层之间、中间介质层与底电极层之间均形成良好的肖特基接触。肖特基势垒在光擦除时，金属电极中的电子可以通过光辅助隧穿或直接越过肖特基势垒进入氧化物半导体导带中，部分电子中和了带电氧空位，拓宽肖特基势垒，隧穿电流减小，器件电导降低，进而有利于改善器件的光擦除特性。

技术研发人员：诸葛飞,李亚超,胡令祥,刘威,王耀科
受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17