一種低功耗氧化物線狀憶阻器及實(shí)現(xiàn)其突觸功能的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低功耗氧化物線狀憶阻器及實(shí)現(xiàn)其電子突觸功能的方法，該氧化物線狀憶阻器包括：襯底；第一端電極，設(shè)置于襯底上，并與襯底形成良好電接觸；氧化物線狀介質(zhì)，設(shè)置于第一端電極旁側(cè)；第二端電極，對(duì)應(yīng)設(shè)置于氧化物線狀介質(zhì)旁側(cè)，該氧化物線狀憶阻器在低功耗下具有良好的阻變性能且通過特定的激發(fā)方式可以在低功耗下實(shí)現(xiàn)電子突觸功能。
【專利說明】
一種低功耗氧化物線狀憶阻器及實(shí)現(xiàn)其突觸功能的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及微電子器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種低功耗氧化物線狀憶阻器及實(shí)現(xiàn)其電子突觸功能的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來對(duì)高性能計(jì)算產(chǎn)生迫切需求。但是在傳統(tǒng)的計(jì)算架構(gòu)里，中央處理單元和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸速率被限制，使得通過馮.諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算系統(tǒng)受到挑戰(zhàn)。具有并行運(yùn)算功能的電路，可同時(shí)具備信息存儲(chǔ)和處理的能力，從而消除這種瓶頸，在這種計(jì)算體系中類似生物神經(jīng)元和突觸的電子器件是至關(guān)重要的基本單元。
[0003]目前，基于膜態(tài)憶阻器的電子突觸普遍具有比較大(電流達(dá)到毫安級(jí))的功耗，而基于線狀氧化物的憶阻器因其長徑比遠(yuǎn)大于膜態(tài)結(jié)構(gòu)，可在同等情況下實(shí)現(xiàn)較大電流密度，故其功耗通常小于膜態(tài)器件。但是，尚未有人提供線狀氧化物憶阻器作為電子突觸使用的技術(shù)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種低功耗氧化物線狀憶阻器及實(shí)現(xiàn)其電子突觸功能的方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種低功耗氧化物線狀憶阻器，包括:
一襯底；
一第一端電極，設(shè)置于所述襯底上，并與所述襯底形成電接觸；
一氧化物線狀介質(zhì)，設(shè)置于所述襯底上且設(shè)置于所述第一端電極旁側(cè)；
一第二端電極，設(shè)置于所述襯底上且對(duì)應(yīng)設(shè)置于所述氧化物線狀介質(zhì)的旁側(cè)。
[0006]其中，所述氧化物線狀介質(zhì)具有電激勵(lì)下的電阻漸變特性。
[0007]進(jìn)一步的，在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述氧化物線狀介質(zhì)設(shè)置于所述第一端電極的右側(cè)或上方;若所述氧化物線狀介質(zhì)設(shè)置于所述第一端電極的右側(cè)，則所述第二端電極設(shè)置于所述氧化物線狀介質(zhì)的右側(cè);若所述氧化物線狀介質(zhì)設(shè)置于所述第一端電極的上方，則所述第二端電極設(shè)置于所述氧化物線狀介質(zhì)的上方。
[0008]進(jìn)一步的，在本發(fā)明一實(shí)施例中，按照如下步驟進(jìn)行制備:
步驟S1:在所述襯底上通過磁控濺射、PECVD、MOCVD、ALD、MBE、PLD或蒸發(fā)的方法制作所述第一端電極；
步驟S2:在所述第一端電極的右側(cè)或上方設(shè)置所述氧化物線狀介質(zhì)，并與所述第一端電極形成電接觸；
步驟S3:對(duì)應(yīng)在所述氧化物線狀介質(zhì)的右側(cè)或上方通過磁控濺射、PECVD、M0CVD、ALD、MBE、PLD或蒸發(fā)的方法制作所述第二端電極，該第二端電極與所述第一端電極形成對(duì)稱或非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并與所述氧化物線狀介質(zhì)形成電接觸。
[0009]進(jìn)一步的，在本發(fā)明一實(shí)施例中，在所述步驟S2中，所述氧化物線狀介質(zhì)的制備方法為:磁控濺射、CVD、ALD、MBE、PLD、蒸發(fā)或通過微電子加工的方法形成線狀氧化物。
[0010]進(jìn)一步的，在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述襯底為聚合物、半導(dǎo)體或絕緣體;所述第一端電極以及所述第二端電極為金屬、金屬合金、導(dǎo)電金屬化合物與半導(dǎo)體。
[0011]進(jìn)一步的，在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述聚合物為塑料、橡膠、PET、PEN、PEEK、PC、PES、PAR、P⑶、PMMA和PI;所述金屬為Al、T1、Ta、Cu、Pt、Au、W、Ni或Ag;所述金屬合金為Pt/1^、1'1八&、01/11、01/^11、01/^1、1^/^或厶1/20所述導(dǎo)電金屬化合物為1^11'^&1們1、△20、11'0或？1'0;所述氧化物線狀介質(zhì)為2110、010、0120、附0^1203、1102或1%0。
[0012]進(jìn)一步的，在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述氧化物線狀憶阻器經(jīng)連續(xù)的多次第一電壓掃描或第一電流掃描，使所述氧化物線狀憶阻器從低阻態(tài)逐漸變化到高阻態(tài)，然后經(jīng)連續(xù)的多次第二電壓掃描或第二電流掃描，使所述氧化物線狀憶阻器從高阻態(tài)逐漸恢復(fù)為低阻態(tài)，其中，第一電壓與第二電壓的極性相反，第一電流與第二電流的方向相反;且該種電阻或電導(dǎo)的連續(xù)調(diào)制也能通過連續(xù)施加正電脈沖或負(fù)電脈沖來實(shí)現(xiàn)。
[0013]進(jìn)一步的，還提供一種低功耗氧化物線狀憶阻器實(shí)現(xiàn)其突觸功能的方法，采用一種脈沖對(duì)疊加的方法，通過一測(cè)試系統(tǒng)的兩個(gè)脈沖通道分別向所述第一端電極以及所述第二端電極輸入脈沖并控制兩極電脈沖的時(shí)間差，所述氧化物線狀憶阻器受到疊加脈沖信號(hào)的影響，其電阻變化率或電導(dǎo)變化率，也即權(quán)重將改變，從而實(shí)現(xiàn)類似突觸的自學(xué)習(xí)功能。
[0014]進(jìn)一步的，在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述脈沖為矩形波、三角波、正弦波中的任一種或多種。
[0015]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明所提出的一種低功耗氧化物線狀憶阻器及實(shí)現(xiàn)其電子突觸功能的方法，通過在線狀氧化物兩端設(shè)置電極制備成線狀憶阻器，通過特定的激發(fā)方式，能獲得低功耗下類似突觸的自主學(xué)習(xí)功能。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明中氧化物線狀憶阻器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明中氧化物線狀憶阻器的電壓-電流特性曲線。
[0018]圖3為本發(fā)明中氧化物線狀憶阻器在直流電壓掃描模式下，電阻的連續(xù)調(diào)節(jié)過程。
[0019]圖4為本發(fā)明中氧化物線狀憶阻器單元在電壓脈沖下，電阻的連續(xù)調(diào)節(jié)過程。
[0020]圖5為本發(fā)明中氧化物線狀憶阻器對(duì)時(shí)間依賴脈沖下的電子突觸學(xué)習(xí)功能。
[0021]【標(biāo)號(hào)說明】:01_第一端電極;02-氧化物線狀介質(zhì);03-第二端電極;04-襯底。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行具體說明。本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例，只用于本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于在此闡述的實(shí)施例，也不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域技術(shù)熟練人員根據(jù)上述
【發(fā)明內(nèi)容】
對(duì)本發(fā)明做出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。下述優(yōu)選實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法;所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。在圖示中，襯底、第一端電極、氧化物線、第二端電極等結(jié)構(gòu)為理想化模型，不應(yīng)該被認(rèn)為嚴(yán)格規(guī)定其參數(shù)、幾何尺寸。在此，參考圖是本發(fā)明理想化實(shí)施例的示意圖，本發(fā)明所示的實(shí)施例不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于圖中所示區(qū)域的特定形狀，而是包括能夠?qū)崿F(xiàn)相同功能的其他形狀。
[0023]以下結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0024]進(jìn)一步的，在本實(shí)施例中，如圖1所示，提供一種氧化物線狀憶阻器，包括:
一襯底04;
一第一端電極01，設(shè)置于襯底04上；
一氧化物線狀介質(zhì)02，設(shè)置于第一端電極OI右側(cè)；
一第二端電極03，設(shè)置于氧化物線狀介質(zhì)02的右側(cè)。
[0025]進(jìn)一步的，在本實(shí)施例中，在氧化物線狀介質(zhì)02兩端制備接觸良好的端電極01和03，襯底04采用氧化硅，第一端電極01采用厚度為110 nm的Ti，氧化物線狀介質(zhì)02長度為10μπι直徑為100 nm的氧化鋅納米線，第二端電極03厚度采用110 nm的Ti，并按照如下步驟制備:
BI)在Si/Si02襯底上通過磁控濺射法制備左端金屬鈦電極，也即在襯底04上制備第一端電極01;
B2)在第一端電極01的右側(cè)通過CVD法制作氧化鋅納米線，作為氧化物線狀介質(zhì)02，并與左端鈦電極01形成良好電接觸；
B3)在氧化鋅納米線的右側(cè)通過磁控濺射法制備右端金屬鈦電極，作為第二端電極03，并與氧化鋅納米線形成良好電接觸。
[0026]進(jìn)一步的，在本實(shí)施例中，對(duì)通過上述步驟制備的氧化物線狀憶阻器進(jìn)行電學(xué)測(cè)試。如圖2所示，為氧化物線狀憶阻器的電壓-電流特性曲線，其中，測(cè)試時(shí)在第一端電極施加正(負(fù))電壓而第二端電極均為接地。如圖3所示，是該氧化物線狀憶阻器在直流電壓掃描模式下的電阻連續(xù)調(diào)節(jié)過程，表明該器件可以通過連續(xù)施加電壓實(shí)現(xiàn)電阻的連續(xù)調(diào)節(jié)。如圖4所示，為脈沖激勵(lì)下，該氧化物線狀憶阻器的電阻連續(xù)調(diào)節(jié)性能，該調(diào)節(jié)過程類似于生物神經(jīng)突觸中連接強(qiáng)度的調(diào)節(jié)過程。如圖5所示，為該氧化物線狀憶阻器對(duì)脈沖時(shí)間依賴可塑性的測(cè)試，隨著兩端脈沖時(shí)間差變小，電阻變化率(即，權(quán)值)增加，與生物中神經(jīng)突觸的學(xué)習(xí)規(guī)則一致，結(jié)果表明本實(shí)施例中的氧化物線狀憶阻器具有自主學(xué)習(xí)的功能且其工作電流小于I Ομ A，具有低功耗。
[0027]以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種低功耗氧化物線狀憶阻器，其特征在于，包括: 一襯底； 一第一端電極，設(shè)置于所述襯底上，并與所述襯底形成電接觸； 一氧化物線狀介質(zhì)，設(shè)置于所述襯底上且設(shè)置于所述第一端電極旁側(cè)； 一第二端電極，設(shè)置于所述襯底上且對(duì)應(yīng)設(shè)置于所述氧化物線狀介質(zhì)的旁側(cè)； 其中，所述氧化物線狀介質(zhì)具有電激勵(lì)下的電阻漸變特性。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗氧化物線狀憶阻器，其特征在于，所述氧化物線狀介質(zhì)設(shè)置于所述第一端電極的右側(cè)或上方;若所述氧化物線狀介質(zhì)設(shè)置于所述第一端電極的右側(cè)，則所述第二端電極設(shè)置于所述氧化物線狀介質(zhì)的右側(cè);若所述氧化物線狀介質(zhì)設(shè)置于所述第一端電極的上方，則所述第二端電極設(shè)置于所述氧化物線狀介質(zhì)的上方。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低功耗氧化物線狀憶阻器，其特征在于，按照如下步驟進(jìn)行制備: 步驟SI:在所述襯底上通過磁控濺射、PECVD、MOCVD、ALD、MBE、PLD或蒸發(fā)的方法制作所述第一端電極； 步驟S2:在所述第一端電極的右側(cè)或上方設(shè)置所述氧化物線狀介質(zhì)，并與所述第一端電極形成電接觸； 步驟S3:對(duì)應(yīng)在所述氧化物線狀介質(zhì)的右側(cè)或上方通過磁控濺射、PECVD、MOCVD、ALD、MBE、PLD或蒸發(fā)的方法制作所述第二端電極，該第二端電極與所述第一端電極形成對(duì)稱或非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并與所述氧化物線狀介質(zhì)形成電接觸。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低功耗氧化物線狀憶阻器，其特征在于，在所述步驟S2中，所述氧化物線狀介質(zhì)的制備方法為:磁控濺射、CVD、ALD、MBE、PLD、蒸發(fā)或通過微電子加工的方法形成線狀氧化物。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗氧化物線狀憶阻器，其特征在于，所述襯底為聚合物、半導(dǎo)體或絕緣體;所述第一端電極以及所述第二端電極為金屬、金屬合金、導(dǎo)電金屬化合物與半導(dǎo)體。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種低功耗氧化物線狀憶阻器，其特征在于，所述聚合物為塑料、橡膠、PET、PEN、PEEK、PC、PES、PAR、PCO、PMMA 和 PI;所述金屬為 Al、T1、Ta、Cu、Pt、Au、W、Ni或八8;所述金屬合金為?1:/1';[、11/^3、(]11/11、(]11/^11、(]11/^1、11/￥或41/21';所述導(dǎo)電金屬化合物為1^11^￥、了31￥3丨^20、11'0或？1'0;所述氧化物線狀介質(zhì)為2110、010、0120、祖0^1203、T12SMgO137.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗氧化物線狀憶阻器，其特征在于，所述氧化物線狀憶阻器經(jīng)連續(xù)的多次第一電壓掃描或第一電流掃描，使所述氧化物線狀憶阻器從低阻態(tài)逐漸變化到高阻態(tài)，然后經(jīng)連續(xù)的多次第二電壓掃描或第二電流掃描，使所述氧化物線狀憶阻器從高阻態(tài)逐漸恢復(fù)為低阻態(tài)，其中，第一電壓與第二電壓的極性相反，第一電流與第二電流的方向相反;且該種電阻或電導(dǎo)的連續(xù)調(diào)制也能通過連續(xù)施加正電脈沖或負(fù)電脈沖來實(shí)現(xiàn)。8.—種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的低功耗氧化物線狀憶阻器突觸功能的方法，其特征在于，采用一種脈沖對(duì)疊加的方法，通過一測(cè)試系統(tǒng)的兩個(gè)脈沖通道分別向所述第一端電極以及所述第二端電極輸入脈沖，并控制所述第一端電極脈沖與所述第二端電極脈沖的時(shí)間差，所述氧化物線狀憶阻器受到疊加雙脈沖信號(hào)的影響，其電阻變化率或電導(dǎo)變化率將改變，從而實(shí)現(xiàn)類似突觸的自學(xué)習(xí)功能。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種實(shí)現(xiàn)低功耗氧化物線狀憶阻器突觸功能的方法，其特征在于，所述脈沖為矩形波、三角波、正弦波中的任一種或多種。
【文檔編號(hào)】H01L45/00GK106098935SQ201610522488
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月6日
【發(fā)明人】賴云鋒, 邱文彪, 陳凡, 程樹英, 林培杰, 俞金玲, 周海芳
【申請(qǐng)人】福州大學(xué)