[發明專利]一種超晶格憶阻器功能層材料、憶阻器單元及其制備方法

有效

• 申請號: 201911350103.X
• 申請日: 2019-12-24
• 公開（公告）號: CN111009609B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 王興晟;王成旭;繆向水
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙) 42224
• 代理人: 張英

本發明提供了一種超晶格憶阻器功能層材料、包含該超晶格憶阻器功能層的憶阻器單元及其制備方法，其中，該超晶格憶阻器功能層材料是至少由第一金屬氧化物層和第二金屬氧化物層交替堆垛在第一平面方向形成層疊結構。本發明利用兩種二元金屬氧化物氧離子的遷移勢壘不同，使得憶阻器在一定條件下，阻態可進行穩定的緩變，實現了對氧空位導電細絲通斷的調制效果，提高了憶阻器的穩定性和一致性。此外，憶阻器電導可以隨外加電場連續變化，實現了電導連續可調的突觸特性，提高了類腦神經形態計算突觸線性度。對于存儲融合計算和神經形態計算的硬件實現具有重要意義。

技術領域

本發明屬于微電子器件技術領域，更具體地，涉及一種超晶格憶阻器及其制備方法。

背景技術

憶阻器被認為是電阻、電容、電感之外的第四種無源基本電路元件。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，從而實現非易失的信息存儲功能。經研究憶阻器所具有的非易失信息存儲功能，使得其可以應用于高密度信息存儲或者是非易失性狀態邏輯運算。此外，部分憶阻器具有電導連續可調的特性，使得其也可以作為突觸器件應用于類腦神經形態計算。憶阻器在單個器件中實現了存儲與計算的融合，使得其成為構建非馮·諾依曼計算體系架構的基礎器件之一。

目前基于導電細絲理論的憶阻器具有結構簡單、功耗低、讀寫速度快等優勢，使其成為最具潛力的存儲技術之一。然而，憶阻器開始研究的時間并不長，仍有許多問題亟待解決。一方面，憶阻器中離子在介質材料中的遷移會形成導電細絲，導電細絲的連通和斷裂使器件的電導值發生變化。由于憶阻器的導電細絲的通斷具有隨機性，因此當下大部分憶阻器都存在操作電壓、高低阻態分布離散的問題，這使得器件間(device to device)和電學循環(cycle to cycle)的一致性都存在問題。這嚴重限制了憶阻器存儲芯片的存儲容量，也對憶阻器的大規模集成和電路設計帶來了很大的挑戰。另一方面，在現代類腦神經形態計算領域，憶阻器作為突觸元件導電細絲在介質層形成的瞬間會導致器件電導的突然增高，這并不符合類腦模擬中希望憶阻器電導可以隨外加電場連續變化的要求，突觸特性線性度普遍較差，這也嚴重制約了人工神經網絡芯片外圍電路的研究，不僅增加了設計成本，而且使電路面積增大。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種超晶格憶阻器單元及其制備方法，其中憶阻器單元中關鍵的功能層為兩種不同的金屬氧化物層交替堆垛且彼此之間成鍵結合形成的超晶格結構。通過利用兩種金屬氧化物不同的氧離子遷移勢壘和電子親合能，從而實現了對導電細絲通斷的調制效果，提高了憶阻器的穩定性和一致性。此外，提高了電導連續可調的突觸特性，就進一步增強了憶阻器突觸線性度，使其極具潛力成為神經形態計算系統中的基本突觸單元。

因此，本發明第一方面，提供一種超晶格憶阻器功能層材料，所述材料至少由第一金屬氧化物層和第二金屬氧化物層在第一平面交替堆垛形成層疊結構；

其中，所述第一金屬氧化物層的氧離子遷移勢壘不同于所述第二金屬氧化物層的氧離子遷移勢壘，以使在所述第一、第二金屬氧化物層之間垂直于第一平面取向形成電接觸；

其中，所述電接觸包括氧離子在所述第一、第二金屬氧化物層間的遷移受不同的氧離子遷移勢壘的限制，以使所述功能層呈現非易失性阻態。

進一步地，所述第一、第二金屬氧化物層的材料包括二元金屬氧化物，其中所述金屬包括Hf、Al、Ti、Ta、Cu、W、Ni、Zn、Zr、Fe、Mn和Nb。

本發明第二方面，提供一種具備上述超晶格憶阻器功能層的憶阻器單元，所述超晶格憶阻器功能層位于第一電極和第二電極之間。

進一步地，所述超晶格憶阻器功能層的厚度為5～10nm。

進一步地，所述超晶格憶阻器功能層中，所述第一金屬氧化物層的厚度為2～15個原子層，所述第二金屬氧化物層的厚度為1～3個原子層。