[發明專利]一種憶阻器及其應用

有效

• 申請號: 201611178578.1
• 申請日: 2016-12-19
• 公開（公告）號: CN106654009B
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發明（設計）人: 諸葛飛;胡令祥;曹鴻濤
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 劉誠午

本發明提供了一種憶阻器，包括：依次在襯底上形成底電極層、中間介質層和頂電極層；所述中間介質層由硫族化合物層和氧化物層組成，其中，硫族化合物層與底電極層相接，氧化物層與頂電極層相接。本發明通過采用合適的頂電極與氧化物層和硫族化合物層組合，使得制備出的憶阻器具有超低的工作電壓，表現出超高的電靈敏性。本發明還提供了一種憶阻器在制備神經突觸仿生器件中的應用，該憶阻器表現出很好的突觸可塑性，并具有超低的工作電壓下實現了短程可塑性和長程可塑性，成功制備出高靈敏性的神經突觸仿生器件。

技術領域

本發明涉及微電子技術領域，尤其涉及一種憶阻器及其應用。

背景技術

憶阻器(memristor)是除電阻器、電容器、電感器之外的第四種基本無源電子器件。“蔡少棠”最早于1970年代在研究電荷、電流、電壓和磁通量之間關系時推斷出這種元件的存在，并指出它代表著電荷和磁通量之間的關聯。憶阻器具有電阻的量綱，但有著不同于普通電阻的非線性電學性質。憶阻器的阻值會隨著流經它的電荷量而發生改變，并且能夠在斷開電流時保持它的阻值狀態。這種電流控制型憶阻系統阻值與施加電壓及時間等滿足一定的數學關系，然而具有這種數學關系和性質的是一種理想的器件，沒能在單一的器件中被發現，所以憶阻器一直被認為是“丟失的器件”。直到2008年，惠普實驗室Williams小組提出了可以在單一電子器件中實現憶阻行為的模型。該組科研人員利用雙層TiO₂薄膜組成一個憶阻器件，通過調節導電前端(由于氧空位的遷移導致的界面移動)調控阻值的變化。

通過十幾年的研究，憶阻器在阻變存儲器和神經網絡上取得了廣泛應用。阻變存儲器具有結構簡單、集成度高、操作速度高、能耗低、與傳統CMOS工藝兼容等優勢，在不久的將來有望全面取代靜態存儲器、動態存儲器及閃存，成為主流數據存儲器件。但是器件的穩定性和功耗帶來的困難依然困擾著阻變存儲器的實際應用。

神經突觸(synapse)是人類大腦學習和記憶的最小單元，因此神經突觸學習功能的仿生模擬被認為是實現人工神經網絡的重要手段。突觸一方面能夠動態的反應外界的電位刺激，并能夠保持一系列連續的狀態。此外，作為突觸很重要的特點——突觸可塑性，往往會產生一系列與空間和時間相關聯的功能。正因為突觸這些非線性特性及與時間關聯的等復雜特征，導致在物理上難以對其進行精確模擬。憶阻器具有其電阻可以隨流經電量而發生連續的電阻變化，這一非線性電學特性與神經突觸的非線性傳輸特性具有高度的相似性。因此，利用憶阻器模擬神經突觸具有天然的優勢。

無論憶阻器應用于存儲器或是開發出有自主學習能力的計算機，必須滿足高性能和低功耗的要求。現有文獻的報道中，憶阻器的工作電壓大多在1V以上，大的工作電壓勢必造成高功耗，難以應用于人工網絡，而且大的工作電壓會影響器件的可控性和穩定性。公開號為CN103078054A和CN102832343B的專利文獻公開了基于硫系化合物、金屬氧化物的憶阻器，可以看到其器件的工作電壓較大，不具有高的電靈敏性，工作機理為焦耳熱引發的材料相變或電場引發的離子遷移致其電阻的變化而實現電阻的變化。但較大的工作電壓勢必會導致材料微結構的變化，從而難以保證突觸器件實現優異的循環穩定性和抗疲勞特性。

發明內容

本發明提供了一種憶阻器，通過采用合適的頂電極與氧化物層和硫族化合物層組合，使得電阻變化的閾值電壓降低至2mV左右，表現出超高的電靈敏性，大幅度降低了器件的功耗。在生物神經突觸模擬方面表現出很好的突觸可塑性，并在超低的工作電壓(6mV)下實現了短程可塑性和長程可塑性，表現出高度的電靈敏性。成功制備出高度靈敏的神經突觸仿生器件。超低的工作電壓使其器件內部結構變化減小，所以極大的增強了器件的時間保持性和抗疲勞性，大幅度降低了器件的功耗。

本發明提供的一種憶阻器，包括：依次在襯底上形成底電極層、中間介質層和頂電極層，所述中間介質層由硫族化合物層和氧化物層組成，其中，硫族化合物層與底電極層相接，氧化物層與頂電極層相接。