[發明專利]一種門控離子通道仿神經突觸憶阻器及其門控調節方法

在審

• 申請號: 202211242393.8
• 申請日: 2022-10-11
• 公開（公告）號: CN115623859A
• 公開（公告）日: 2023-01-17
• 發明（設計）人: 孫華軍;岳君林;鄒嵐清;繆向水
• 申請（專利權）人: 華中科技大學;湖北江城實驗室
• 主分類號: H10N70/00
• 分類號: H10N70/00;B82Y30/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 許恒恒

本發明屬于微電子器件技術領域，具體公開了一種門控離子通道仿神經突觸憶阻器及其門控調節方法，該憶阻器自上而下包括上電極、阻變功能層和下電極，阻變功能層中的氧空位濃度先減少再增多，氧空位濃度的最小值出現在阻變功能層的中部區域；并且，在阻變功能層靠近下電極的邊緣處，還存在金屬納米顆粒。本發明通過對憶阻器件結構、組成及調控方法進行改進，額外引入金屬納米顆粒，與現有的憶阻結構相比，實現了導電細絲水平和垂直方向皆可控；并且，本發明器件從結構上實現了神經突觸結構的全模擬，功能上仿神經突觸通過調節門控離子通道，在門控導電通道的全連接、弱連接和關斷的狀態之間進行調控，有利于提高器件一致性，多值性。

技術領域

本發明屬于微電子器件技術領域，更具體地，涉及一種門控離子通道仿神經突觸憶阻器及其門控調節方法，該憶阻器尤其能夠仿生物神經突觸結構，可通過門控功能層實現對突觸結構的全模擬、導電細絲的水平和垂直方向皆可控，并可通過調控門控功能層連接程度實現憶阻器的數模共存和突觸特性模擬。

背景技術

憶阻器作為下一代非易失性存儲及神經形態計算器件，因為其速度快、功耗低、多值存儲、存算一體，結構簡單、且與CMOS工藝兼容，而受到廣泛關注。憶阻器的材料體系有二元金屬氧化物，AlOx，TiOx，TaOx，HfOx等，多元金屬氧化物BiFeO3、BaTiO以及金屬氮化物，金屬硫化物等。根據導電機理憶阻器可分為導電橋憶阻器和價變憶阻器，基于金屬氧化物的價變憶阻器由于其一致性好，功耗低，耐久性好，多值存儲，利于神經形態計算，具有更好的前景。相較于其他材料，HfOx和AlOx基憶阻器因為其一致性好、速度快、多值性好成為研究的主流。

現階段關于價變憶阻器的研究主要分為界面型和導電細絲型，他們區別在于導電通路的形成和斷裂是處于界面還是功能層內。導電細絲型憶阻器表現出較好的存儲特性，具體體現在窗口值大以及耐久性好等方面，但由于其阻值突變且一致性較差，無法運用于神經形態計算。相較于導電細絲型，界面型的阻值緩變，在神經形態計算方面有著較好的應用，但這種器件存在著穩定性較差，窗口值小的問題。這兩種類型的憶阻器都只注重于導電細絲生成和斷裂的位置，對于權重具體調制的過程沒有一個清晰的解釋和適當的方法，因此如何實現可控的權重調制就顯得尤為重要。從生物突觸結構上來說，突觸權重的改變是一種通過Ca²⁺門控，釋放不同數量的神經遞質的過程，在這個過程中實現了可控的權重調制，改變了突觸前后膜的連接強度。因此對于憶阻器的權重調制，此時就可從阻變過程中的離子遷移入手，如何采用可控的結構對離子通道進行約束，就可綜合界面型和導電細絲型的優點，實現優秀的數模特性共存，和突觸功能的全模擬。

湖北江城實驗室公開了《一種具有突觸特性的摻雜型鐵酸鉍憶阻器及其制備方法》(可參見中國專利文獻CN202111682062.1)，該憶阻器依次包括襯底、底電極、功能層和頂電極；所述功能層為摻雜鐵酸鉍薄膜，所述摻雜鐵酸鉍薄膜的材料為A位單摻雜、B位單摻雜或A位與B位共摻雜的鐵酸鉍，A位摻雜元素為稀土金屬元素和堿土金屬元素中的至少一種，B位摻雜元素為3d過渡金屬元素。該發明憶阻器通過對鐵酸鉍進行摻雜，使得器件具備多種阻態，在脈沖調制下，即可實現穩定的二值存儲又可實現電導連續可調特性，能夠實現與生物突觸相類似的功能。這種方法主要通過引入摻雜元素來引導離子遷移，實現突觸特性，但存在一致性較差，突觸功能模擬切合度不足，突觸特性模擬不全面等方面的問題，并且該方法由于引入的參雜元素隨機分布，因此無法實現可控的離子遷移，也無法對導電通道起到正確的約束。