一种氧化物混合忆阻器及制备方法、存储芯片及识别系统

本发明涉及忆阻器相关，具体地说，是涉及一种氧化物混合忆阻器及制备方法、存储芯片及识别系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

2、在大数据时代，数据量呈指数级增长。先进的数据处理技术对于从这些海量、多样的数据集中分析和提取商业价值至关重要。大数据分析通常借助分布式并行处理、复杂算法、可视化和实时处理等功能，以应对日益复杂的数据环境。例如，人工智能可以对大量非结构化数据进行预处理，提取有效特征不断改进自身，并建立强大的分析模型释放这些数据的价值。然而，人工智能需要大量硬件支持其强大的计算能力。模拟大脑的大型神经网络需要大量显卡和专用芯片，训练过程会消耗巨大能量。此外，由于量子隧穿效应，晶体管工艺尺寸已近物理极限。在传统冯诺依曼架构中，分离式的内存和计算器大大限制了计算机的性能。因此，迫切需要一种革命性的计算范式，推动架构、材料和工艺创新，持续提高能效和速度，满足计算需求的指数增长。

3、近年来，忆阻器的出现为“存算一体”器件带来了机遇。忆阻器出色的非易失性存储能力和多种电阻状态实现了数据存储与计算的融合。这不仅减轻了总线和内存访问的压力，还打破了传统冯诺依曼架构中的瓶颈，因为每个忆阻器可以同时执行内存和逻辑运算，从而大大提高了芯片集成度，并显著降低了存储和计算之间的能耗。此外，忆阻器还可以模拟生物神经网络的突触可塑性，通过改变内部电阻状态来模拟突触连接强度及其适应性。大规模忆阻器阵列可以实现向量乘法运算，并通过定制网络拓扑结构和低功耗工作模式来模拟大脑的并行计算。

4、随着技术进步，各种材料被探索用于制造忆阻器，包括过渡金属氧化物、聚合物、过氧化物、硫化物等。特别是氧化钨基忆阻器近几年在神经形态计算领域受到广泛关注。发明人在研究中发现，目前氧化钨基忆阻器在神经形态计算方面存在以下四个问题：

5、问题一，传统的氧化钨忆阻器制造工艺相对复杂，这导致了高昂的生产成本，并且限制了大规模量产的可行性。

6、问题二，在氧化钨薄膜的制备过程中，存在制备不均匀和可重复性差的问题，这限制了其应用在人工神经网络等领域。具体来说，薄膜厚度分布不均匀，不同批次样品性能存在较大偏差。这导致了器件的电阻状态调节困难，突触特性不稳定，无法满足构建人工神经网络所需的稳定突触性能和多阶可调节电阻状态。

7、问题三，大多数氧化钨器件采用刚性基底，这限制了它们在柔性电子设备领域的应用，如可穿戴设备、软体机器人以及生物医学传感器等领域的应用。

8、问题四，绝大多数氧化钨忆阻器在神经突触特性中的长时程增强(简称为ltp)和长时程抑制(简称为ltd)方面存在电导饱和问题，线性度低以及对称性变化较大。这些问题使得精确控制权重变得非常困难，特别是在需要高精度的应用场景，如图像识别，可能会导致识别准确率下降。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述问题，提出了一种氧化物混合忆阻器及制备方法、存储芯片及识别系统，制备的混合忆阻器具备优良的性能，稳定性高，还表现出出色的生物突触特性。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面提供一种氧化物混合忆阻器的制备方法，包括以下步骤：

4、将带有氧化铟锡涂层的聚对苯二甲酸乙二醇酯清洗设定时间，得到底部电极和柔性衬底；

5、钨靶材和钛靶材通过直流磁控共溅射在底部电极上，生长得到氧化钨和氧化钛混合薄膜，形成功能层；

6、银靶材通过覆盖掩模板和直流磁控溅射得到银顶电极，形成顶部电极。

7、可实现的一种技术方案，将带有氧化铟锡涂层的聚对苯二甲酸乙二醇酯经清洗得到底部电极和柔性衬底，具体为：

8、将带有氧化铟锡涂层的聚对苯二甲酸乙二醇酯依次通过丙酮、乙醇和去离子水超声清洗设定时间后，得到底部电极和柔性衬底。

9、进一步的技术方案，还包括对制备忆阻器进行测试的过程，具体为：将制备的氧化钨和氧化钛混合忆阻器基于设定参数的正向电压脉冲与负向电压脉冲条件下进行测试。

10、进一步的技术方案，在制备忆阻器过程中对忆阻器的性能调节，具体为：通过改变功能层制备过程的控制参数以及测试过程的测试电压脉冲参数，调节氧化钨和氧化钛混合忆阻器的神经突触特性中的ltp和ltd特性的线性度和对称性。

11、可实现的一种技术方案，功能层制备过程的控制参数，包括：

12、在得到氧化钨和氧化钛混合薄膜时，通入的氩气(ar)的气体流量设定为20sccm-30sccm，通入氧气(o2)的气体流量设定为15sccm；

13、将得到氧化钨和氧化钛混合薄膜过程中，钨靶材的直流磁控溅射的直流功率设置为60w至80w，钛靶材直流磁控溅射的直流功率设置为70w至100w；

14、将得到氧化钨薄膜的沉积时间，设置为10～15分钟；

15、可实现的一种技术方案，测试过程的测试电压脉冲参数，包括：

16、正电压脉冲幅度为0.2v至1.5v，负电压脉冲幅度为-0.5v至1.5v；

17、正负电压脉冲个数为100个至500个。

18、本发明的第二个方面提供一种氧化物混合忆阻器，基于上述氧化物混合忆阻器的制备方法制备，包括依次设置的柔性衬底、底部电极、功能层以及顶部电极；

19、柔性衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯，底部电极为氧化铟锡，功能层为氧化钨和氧化钛混合薄膜，顶部电极为银顶电极。

20、本发明的第三个方面提供一种存储芯片，在每个忆阻器后串联一个晶体管开关，形成一个忆阻器连接一个晶体管的存储单元，多个存储单元按照阵列结构组合得到组合后的1t1r阵列结构；所述上述的一种氧化物混合忆阻器。

21、本发明的第四个方面提供一种识别系统，用于实现数字图像识别，将卷积神经网络作为识别模型，采用上述的一种氧化物混合忆阻器构建卷积神经网络的神经元。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

23、(1)本发明通过简单的制备方法向氧化钨掺杂氧化钛制备了性能稳定、均一性和可重复性良好、高电阻调节范围的神经形态忆阻器。

24、功能层和顶部电极的制备均采用磁控溅射制备方法，在高真空条件下，有效降低了气体污染和杂质引入的风险。通过调控溅射参数，能够精确掌握薄膜沉积厚度，通过离子轰击靶材的方式进行溅射，使得薄膜材料以原子级别的精度沉积在基底上，这不仅提升了薄膜的致密性和表面平整性，还显著增强了器件的均一性。

25、(2)本发明采用柔性衬底增加了所制备器件在可穿戴设备、软体机器人以及生物医学传感器等领域的应用场景。

26、(3)本发明通过改变制备时的气体流量和溅射功率使得氧空位数量和金属离子的价态发生了改变，便于实现多级阻态调控以及忆阻行为的调制。

27、本发明的优点以及附加方面的优点将在下面的具体实施例中进行详细说明。

技术特征：

1.一种氧化物混合忆阻器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种氧化物混合忆阻器的制备方法，其特征在于：将带有氧化铟锡涂层的聚对苯二甲酸乙二醇酯依次通过丙酮、乙醇和去离子水超声清洗设定时间后，得到底部电极和柔性衬底。

3.如权利要求1所述的一种氧化物混合忆阻器的制备方法，其特征在于，还包括对制备忆阻器进行测试的过程，具体为：将制备的氧化钨和氧化钛混合忆阻器基于设定参数的正向电压脉冲与负向电压脉冲条件下进行测试。

4.如权利要求1所述的一种氧化物混合忆阻器的制备方法，其特征在于：通过改变功能层制备过程的控制参数以及测试过程的测试电压脉冲参数，以调节混合忆阻器的神经突触特性中的长时程增强和长时程抑制特性的线性度和对称性。

5.如权利要求4所述的一种氧化物混合忆阻器的制备方法，其特征在于：功能层制备过程的控制参数，包括：

6.如权利要求4所述的一种氧化物混合忆阻器的制备方法，其特征在于：

7.如权利要求1所述的一种氧化物混合忆阻器的制备方法，其特征在于：

8.一种氧化物混合忆阻器，其特征在于，基于权利要求1-7任一项所述的一种氧化物混合忆阻器的制备方法制备，包括依次设置的柔性衬底、底部电极、功能层以及顶部电极；

9.一种存储芯片，其特征在于：在每个忆阻器后串联一个晶体管开关，形成一个忆阻器连接一个晶体管的存储单元，多个存储单元按照阵列结构组合得到组合后的1t1r阵列结构；所述忆阻器采用权利要求8所述的一种氧化物混合忆阻器。

10.一种识别系统，用于实现数字图像识别，其特征在于：将卷积神经网络作为识别模型，采用权利要求9所述的一种存储芯片构建卷积神经网络系统的卷积层和全连接层。

技术总结
本发明涉及忆阻器技术领域，提出了一种氧化物混合忆阻器及制备方法、存储芯片及识别系统，制备方法，包括以下步骤：将带有氧化铟锡涂层的聚对苯二甲酸乙二醇酯清洗设定时间，得到底部电极和柔性衬底；钨靶材和钛靶材通过直流磁控共溅射在底部电极上，生长得到氧化钨和氧化钛混合薄膜，形成功能层；银靶材通过覆盖掩模板和直流磁控溅射得到银顶电极，形成顶部电极。通过简单的制备方法向氧化钨掺杂氧化钛制备了性能稳定、均一性和可重复性良好、高电阻调节范围的神经形态忆阻器，采用柔性衬底增加了所制备器件在可穿戴设备、软体机器人以及生物医学传感器等领域的应用场景。

技术研发人员：李阳,潘建勇,牛闳森,张春伟,高嵩
受保护的技术使用者：济南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24