本發(fā)明涉及微電子器件技術領域，具體地說是一種基于SiO₂神經(jīng)仿生層的神經(jīng)仿生器件及其制備方法。

背景技術：

在信息技術領域，減小存儲單元的面積是發(fā)展當前數(shù)據(jù)存儲技術的一個主要驅動力。但是，在未來15 到20 年之內(nèi)，當前的存儲技術將達到其物理極限，難以再進一步發(fā)展。為了促使存儲技術的持續(xù)發(fā)展，需要找到一種新的發(fā)展方向。其一種可能的發(fā)展方向是從生物學仿生而來的認知存儲，它不像當前的存儲器只有數(shù)據(jù)存儲這種單一功能，而是像人的記憶一樣豐富多彩，能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、信息處理以及最重要的認知功能，如可適應、學習、具有洞察力、新知識的構建等等。這種認知存儲的功能作為驅動力的數(shù)據(jù)存儲技術需要利用具有認知功能的器件搭建人工神經(jīng)網(wǎng)絡，因此，開發(fā)認知存儲器這種具有認知功能的微電子器件，就是目前行業(yè)內(nèi)研究的熱點。

在認知存儲器中，用作構建人工神經(jīng)網(wǎng)絡的電子突觸器件，是最基本的一種認知存儲器。電子突觸器件如同神經(jīng)突觸，是不同神經(jīng)元之間的連接，具有用以表征神經(jīng)元之間連接強度的突觸權重，并且在不同的刺激下，突觸權重能進行相應的改變，從而實現(xiàn)學習和記憶的功能。然而，在神經(jīng)網(wǎng)絡當中，神經(jīng)突觸數(shù)目龐大，需要減小電子突觸器件的面積和功耗，才有可能構建具有一定規(guī)模、一定認知功能的神經(jīng)網(wǎng)絡。近年來，人們通過大量實驗和測試，發(fā)現(xiàn)憶阻器這種新型的電子元器件具有類似優(yōu)良的特性，其中憶阻器的記憶功能和可操控性和生物體神經(jīng)突觸有很高的相似性。人類大腦中存在10¹¹-10¹⁴個神經(jīng)元，而連接這些神經(jīng)元的突觸數(shù)量則高達10¹⁵。神經(jīng)突觸由三部分組成：突觸前膜、突觸后膜以及兩膜間的窄縫——突觸間隙，其間距通常為20-40nm。在電信號刺激下，攜帶傳遞信息的神經(jīng)遞質(zhì)由突觸前神經(jīng)元通過突觸間隙單向傳輸?shù)酵挥|后神經(jīng)元。因此，突觸前后膜類似于憶阻器的兩端金屬電極，而突觸間隙類似于憶阻器的介質(zhì)層，其厚度約為數(shù)十納米。

突觸可塑性是生物體神經(jīng)突觸的最基本特性，突觸會隨著神經(jīng)元之間連接強度的強弱動態(tài)的刺激或抑制信號，使得信號保持連續(xù)變化。這就要求器件能夠在施加電信號作用下，實現(xiàn)電阻值的漸變。憶阻器能夠模擬神經(jīng)突觸，最基本的依據(jù)是他們都有非線性電學性質(zhì)，即利用憶阻器兩類電學性質(zhì)（變化迥異的高、低兩種電阻狀態(tài)，來實現(xiàn)電阻緩變行為）應用于神經(jīng)突觸的模擬中。但是，目前的仿生器件由于其神經(jīng)仿生層材料和結構設計不合理導致器件在施加電壓時存在高低阻態(tài)之間轉換的連續(xù)性較差、連續(xù)性變化的電導性能差、器件的穩(wěn)定性低的缺陷。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是提供一種基于SiO₂神經(jīng)仿生層的神經(jīng)仿生器件及其制備方法，以解決現(xiàn)有神經(jīng)仿生器件存在施加電壓時存在高低阻態(tài)之間轉換連續(xù)性較差、器件穩(wěn)定性差的問題。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：一種基于SiO₂神經(jīng)仿生層的神經(jīng)仿生器件，包括Ag襯底、在所述Ag襯底上依次形成的神經(jīng)仿生層和Ag電極層；所述神經(jīng)仿生層從下而上依次包括：第一SiO₂膜層、Ag膜中間層、第二SiO₂膜層。

所述第一SiO₂膜層、Ag膜中間層、第二SiO₂膜層的厚度比為5:1:5；所述Ag膜中間層的厚度優(yōu)選為2-6nm，所述Ag膜中間層的厚度更優(yōu)選為2nm，即所述神經(jīng)仿生層的厚度在20-25nm之間其實用性更好。

所述神經(jīng)仿生層采用磁控濺射的方法制備而成。

所述Ag電極層的厚度為50-300nm；所述Ag電極層為均勻分布在所述神經(jīng)仿生層上的若干直徑為80-200μm的圓形電極。

本發(fā)明還提供了一種基于SiO₂神經(jīng)仿生層的神經(jīng)仿生器件的制備方法，包括以下步驟：

（a）將Ag襯底依次在去離子水、丙酮和酒精中分別用超聲波清洗，然后取出用 N₂吹干；

（b）將清洗好的Ag襯底固定到磁控濺射設備腔體的襯底臺上，并將腔體抽真空至1×10^-4-4×10^-4Pa；

（c）在腔體內(nèi)的靶臺上放置SiO₂靶材，直流靶臺上放置Ag靶材，向腔體內(nèi)通入Ar和O₂，調(diào)整接口閥使腔體內(nèi)的壓強維持在1-6Pa，打開控制SiO₂靶材起輝的射頻源，調(diào)整射頻源功率為100-200W，使SiO₂靶材起輝，預濺射8-15min；

（d）預濺射完畢后，開始正式濺射，在Ag襯底上生長SiO₂膜層，正式濺射時間為25-30min，得第一SiO₂膜層；

（e）將SiO₂靶材的射頻源關掉，并將腔體抽真空至1×10^-4-4×10^-4Pa，襯底加熱至400℃，打開控制Ag靶材的直流電源，調(diào)整射頻源功率為8-11W，使Ag靶材起輝，預濺射8-15min，開始正式濺射，在第一SiO₂膜層上生長Ag膜層，正式濺射時間為4-8s，得Ag膜中間層；

（f）將Ag靶材的直流電源關掉，保持襯底溫度為400℃，打開放置SiO₂靶材起輝的射頻源，調(diào)整直流源功率為130-170W，使SiO₂靶材起輝，預濺射8-15min，開始正式濺射，在Ag膜中間層上生長SiO₂膜層，正式濺射時間為25-35min，得第二SiO₂膜層；

（g）在形成第二SiO₂膜層后的Ag襯底上放置掩膜版，將磁控濺射設備腔體抽真空至1×10^-4-4×10^-4Pa；向腔體內(nèi)通入流量為20-30sccm的Ar，調(diào)整接口閥使腔體內(nèi)的壓強維持在1-6Pa，打開控制Ag靶材起輝的直流源，調(diào)整直流源功率為8-11W，使Ag靶材起輝，預濺射4-6min；開始正式濺射6-10min，在第二SiO₂膜層上形成Ag電極層。

步驟（c）中所述Ar和O₂向腔體的通入流量比為50-100sccm : 15-35sccm。

步驟（d）、（e）、（f）中控制第一SiO₂膜層、Ag膜中間層和第二SiO₂膜層的厚度比為5:1:5；所述Ag膜中間層的厚度優(yōu)選為2-6nm；更優(yōu)選為2nm。

步驟（g）中Ag電極層的厚度為50-300nm。

步驟（g）所述的掩膜版上均布有直徑為80-200μm的圓形孔。

步驟（g）所述Ag電極層所述Ag電極層為均勻分布在所述神經(jīng)仿生層上的若干圓形電極。

本發(fā)明提供的神經(jīng)仿生器件設計為Ag襯底、神經(jīng)仿生層和Ag電極層，并將神經(jīng)仿生層設計為特定材料及特定厚度比的第一SiO₂膜層、Ag膜中間層和第二SiO₂膜層；通過特定磁控濺射工藝處理，使Ag膜中間層部分擴散到第一SiO₂膜層和第二SiO₂膜層內(nèi)，得到了一種高阻態(tài)與低阻態(tài)之間能發(fā)生緩慢的變化、有多個穩(wěn)定的高低阻態(tài)且保持良好特性、可實現(xiàn)神經(jīng)仿生要求的神經(jīng)仿生器件。本發(fā)明所制備的器件其兩端分別作為兩個輸入端，分別為突觸前刺激和突觸后刺激，根據(jù)突觸前刺激和突觸后刺激的時間差而改變電阻，能夠模仿生物突觸的特性，在施加不同電脈沖的刺激下改變其電阻的阻值，其高、低阻態(tài)會發(fā)生緩慢變化，且范圍穩(wěn)定；出現(xiàn)多個穩(wěn)定阻態(tài)并具有良好的保持特性，在重復施加電脈沖刺激的情況下，能夠記住改變的狀態(tài)，高低阻轉化的重復性高，是一種性能更為穩(wěn)定、應用前景更為廣闊的神經(jīng)仿生器。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所提供的神經(jīng)仿生器件的結構示意圖。

圖2是本發(fā)明中用于制備神經(jīng)仿生器件的磁控濺射設備的結構示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例2所制備的神經(jīng)仿生器件電流-電壓變化狀態(tài)圖。

圖4是本發(fā)明實施例2所制備的神經(jīng)仿生器件兩端電壓隨源表電壓的變化圖。

圖5是本發(fā)明實施例2所制備的神經(jīng)仿生器件的活動時序依賴突觸可塑性（STDP）功能圖。

具體實施方式

下面實施例用于進一步詳細說明本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。

實施例1

本發(fā)明所提供的神經(jīng)仿器件，其結構如圖1所示，包括最底層的Ag襯底1、Ag襯底1上的神經(jīng)仿生層2，神經(jīng)仿生層2上的Ag電極層3。

其中神經(jīng)仿生層2由三層膜層依次疊加構成，由下至上依次為第一SiO₂膜層21、Ag膜中間層22、第二SiO₂膜層23。第一SiO₂膜層21、Ag膜中間層22、第二SiO₂膜層23的厚度比為5:1:5；其Ag膜中間層22為2-6nm，優(yōu)選2nm，一般來講，神經(jīng)仿生層2的總厚度在20-25nm范圍內(nèi)實用性更好。神經(jīng)仿生層2采用磁控濺射方法制備而成，其Ag膜中間層2部分擴散在第一SiO₂膜層21和第二SiO₂膜層23內(nèi)。

Ag電極層3的厚度可以在50-300nm范圍內(nèi)；Ag電極層3為均勻分布在所述神經(jīng)仿生層上的若干直徑為80-200μm的圓形電極。

實施例2

本發(fā)明所提供的神經(jīng)仿生器件的制備方法包括如下步驟：

一、在襯底上形成神經(jīng)仿生層

（1）準備襯底

選擇Ag作為襯底，然后將Ag襯底放在丙酮中用超聲波清洗10min，然后在放入酒精中用超聲波清洗10min，再用夾子取出放入去離子水中用超聲波清洗5min，最后取出，用N₂吹干。

（2）將襯底放入腔體并抽真空

采用如圖2所示的磁控濺射設備，打開磁控濺射設備腔體4，拿出壓片臺9，用砂紙打磨去掉表面污漬至其色澤均勻發(fā)亮，用丙酮清洗打磨下來的廢物和表面附著的有機物，用酒精最后擦拭干凈。將清洗好的Ag襯底放在壓片臺9上壓片，壓片時保證Ag襯底穩(wěn)固壓在壓片臺9上并且壓平，保證濺射時候生長薄膜均勻。將整理好的壓片臺9放入腔體4內(nèi)的襯底臺8上，固定好后關閉腔體4，對腔體4抽真空至2×10^-4Pa。

（3）通入氣體

在腔體4內(nèi)的壓片臺9的下方設置有靶臺6和靶臺12，靶臺6上用于放置銀靶材7，靶臺12上用于放置二氧化硅靶材11。二氧化硅靶材由磁控濺射設備腔體外的射頻源來控制其起輝，而銀靶材由磁控濺射設備腔體外的直流源來控制其起輝。

當腔體內(nèi)的氣壓為2×10^-4Pa時，打開兩個氣瓶，通過充氣閥5向腔體內(nèi)通入流量比為75sccm : 25sccm的Ar和O₂，調(diào)整接口閥10使腔體內(nèi)的壓強維持在1-6Pa，打開控制二氧化硅靶材起輝的射頻源，調(diào)整射頻源功率為150W，使二氧化硅靶材起輝，預濺射10min。

（4）第一SiO₂膜層的形成

在二氧化硅預濺射之后，打開擋板，開始正式濺射30min，在Ag襯底上形成一層SiO₂膜層，即為第一SiO₂膜層。

（5）Ag膜中間層的形成

將控制二氧化硅靶材起輝的射頻源關掉，將腔體抽至2×10^-4Pa，打開控制Ag靶材起輝的直流電源，襯底升溫至400℃，調(diào)整射頻源功率為10w，使銀靶材起輝，預濺射10min，然后正式濺射6s，得Ag膜中間層，此時Ag膜中間層的Ag已部分擴散進入第一SiO₂膜層內(nèi)。

（6）第二SiO₂膜層的形成

形成Ag膜中間層后，關閉直流電源，打開射頻電源，在襯底溫度為400℃情況下，控制二氧化硅靶材起輝的射頻源，調(diào)整射頻源功率為150W，使二氧化硅靶材起輝，預濺射10min，開始正式濺射30min，在Ag膜中間層上形成第二SiO₂膜層，此時Ag膜中間層的Ag已部分擴散進入第二SiO₂膜層內(nèi)。

二、在神經(jīng)仿生層上形成電極層

（1）關閉射頻源，通過接口閥10泄壓，打開磁控濺射設備腔體4，在Ag襯底形成有神經(jīng)仿生層的第二SiO₂膜層上放置掩膜版，掩膜版上均勻密布有直徑為90μm的圓形孔；將二氧化硅靶材替換為Ag靶材，清洗腔體；

（2）對腔體抽真空至2×10^-4Pa；腔體內(nèi)通入流量為25sccm的Ar，調(diào)整接口閥10使腔體內(nèi)的壓強維持在1-6Pa，打開控制銀靶材起輝的直流源，調(diào)整直流源功率為10W，使銀靶材起輝，預濺射5min；之后正式濺射10min，在第二SiO₂膜層上形成Ag電極層，即制備了神經(jīng)仿生器件。

以上所述的實施方式是本發(fā)明所保護的制備方法中的任意一種實施例，其只要在權利要求及說明書中所描述的工藝參數(shù)的范圍內(nèi)均可獲得本發(fā)明所要保護的神經(jīng)仿生器，且所制備的神經(jīng)仿生器件與本實施例所制備的器件具有同樣或類似的性能。

本發(fā)明所制造出來的器件具有電子突觸功能，一般突觸的功能，具體為活動時序依賴突觸可塑性（Spike-Time-Depend Plasticity, STDP），涉及到突觸前刺激和突觸后刺激的共同作用。在電子突觸器件中，器件的兩端分別代表了突觸前和突觸后，兩個極性的電脈沖分別施加在這兩端作為突觸前刺激和突觸后刺激，以改變電壓值作為不同的刺激，來改變電阻。

實施例3

對實施例2所制備的神經(jīng)仿生器件施加電壓進行掃描，其結果如圖3所示。給實施例2所制備的神經(jīng)仿生器件的Ag電極層上施加一個正電壓，電流急劇增大至限流，器件處于低阻態(tài)，當在器件的Ag電極層上施加負相電壓時，器件的電流急劇減小，電阻由低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)。且當前電壓變化總是以前一次電壓值為基礎增長。本發(fā)明所制備的神經(jīng)仿生器件呈現(xiàn)出的阻變特性物理機制是導電細絲阻變機制，其原理是導電細絲的形成和斷裂實現(xiàn)電阻高低的轉換。當給實施例2所制備的神經(jīng)仿生器件施加正向電壓時，電場作用下的金屬離子形成的導電通道使得電流急劇增大，器件處于低阻狀態(tài)。施加負向電壓后，高電流產(chǎn)生的焦耳熱導致導電細絲斷裂，使得電流急劇減小，器件又變?yōu)楦咦钁B(tài)。圖中顯示，對神經(jīng)仿生器件施加不同的電壓，得到的I-V特性曲線基本相同，其阻值會隨著施加電壓變化而發(fā)生變化，并能夠記住先前的狀態(tài)，使電壓呈現(xiàn)連續(xù)性變化。所制備器件的非線性性、記憶性和神經(jīng)突觸的原理有著很高的相似性。

在實施例2所制備的神經(jīng)仿生器件上，通過將電子突觸器件添加到簡單電路中，分別測量源表電壓值和標準電阻電壓值，通過改變源表電壓，將其值控制在-1V~0.5V之間，其結果如圖4所示。圖中當施加在源表的電壓大于0 V時，逐漸增大源表的電壓，通過神經(jīng)仿生器件的電流也逐漸增大，且其電阻逐漸減小。當施加在源表的電壓小于0V時，從-0.8V降至0V的過程中，通過神經(jīng)仿生器件的電流逐漸減小，其電阻逐漸增大。充分說明脈沖信號大小的變化可引起器件電阻的變化，且電阻的變化是非線性的。這樣，模擬神經(jīng)突觸時，突觸對外界刺激的感知可很好的用電壓的變化表示出來。

將實施例2所制備的神經(jīng)仿生器件兩端作為兩個輸入，代表了突觸前刺激和突觸后刺激，對神經(jīng)仿生器件的活動時序依賴突觸可塑性（STDP）進行檢測，其結果如圖5所示。在器件的兩個輸入端先后加入幅值大小相同的電脈沖，將脈沖時間差設置成10μs，以電導G的大小表示突觸權重的大小，突觸權重的變化量ΔW為電導相對變化量。圖5中，當脈沖時間差Δt>0 時，其權重W減小，器件電阻增加；當Δt<0 時，權重增大，器件電阻減小。且脈沖時間差越小，權重變化量ΔW越大，脈沖時間差越大，權重變化量ΔW越小，當脈沖時間差大到一定程度時，權重變化量ΔW趨近于零。改變通過突觸前后電壓脈沖時間差控制電脈沖幅值大小，影響兩者疊加的效果，控制電阻的變化，證明所制備的電子仿生器件具有STDP的功能，其可實現(xiàn)神經(jīng)突觸功能。

以上所述的具體實施方式對本發(fā)明的技術方案和有益效果進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發(fā)明的最優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補充和等同替換等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。