[發(fā)明專利]一種抗輻照人工突觸器件及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310251012.0
• 申請日: 2023-03-15
• 公開（公告）號: CN116322289A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋宏甲;顏家琦;劉應(yīng)東;陳騫鑫;鐘向麗;王金斌;歐陽曉平
• 申請（專利權(quán)）人: 湘潭大學
• 主分類號: H10N70/20
• 分類號: H10N70/20
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 曾九蓮

本發(fā)明公開了一種抗輻照人工突觸器件及其制備方法。該人工突觸器件包括金屬底電極層、異質(zhì)結(jié)阻變層和金屬頂電極層，所述金屬底電極層為金屬鈦層，所述異質(zhì)結(jié)阻變層為金屬摻雜氧化鉿層和氧化鈦層形成的復(fù)合層。該器件具有優(yōu)異的權(quán)重更新線性度和對稱性以及較強的抗輻照能力，可用于地面和空間電子系統(tǒng)的智能芯片。其制備方法簡單，成本低廉，適合工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種人工突觸器件，具體涉及一種抗輻照人工突觸器件，還涉及其制備方法，屬于電子器件制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)

二元金屬氧化物憶阻器在結(jié)構(gòu)和功能上與生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的突觸有很多相似的地方：神經(jīng)突觸是兩端結(jié)構(gòu)，突觸權(quán)重可在外界刺激下増強或減弱；憶阻器也是簡單的兩端器件，兩個電極可作為突觸前膜和突觸后膜，中間阻變層代表突觸間隙，并且憶阻器的電導可隨外界電場變化。基于二元金屬氧化物憶阻器的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片展示出計算能力高、功耗低等優(yōu)勢。二元金屬氧化物憶阻器電導變化對應(yīng)于生物突觸的權(quán)重更新，其線性度和對稱性在很大程度上決定了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片的訓練精度，因此提高二元金屬氧化物憶阻器電導調(diào)制線性度和對稱性很有意義。

在航天器上應(yīng)用的憶阻器神經(jīng)形態(tài)芯片，將不可避免地暴露在空間輻射環(huán)境下。輻射環(huán)境中的高能粒子(如高能伽馬射線)會對電子元器件產(chǎn)生影響，有的甚至會直接導致器件的失效，進而影響空間任務(wù)的執(zhí)行。因此，對航天器上應(yīng)用的憶阻器突觸還提出了抗輻照的要求。但由于單層二元金屬氧化物憶阻器電導調(diào)制線性度和對稱性差和其電導調(diào)制特性在輻照下?lián)p傷規(guī)律和機理不清等缺點，制約了其在航天的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有人工突觸器件存在的抗輻射性能差、權(quán)重更新線性度和對稱性差等，本發(fā)明的目的是在于提供一種抗輻照人工突觸器件。該器件抗輻射性能強，權(quán)重更新且具有高線性對稱性。

本發(fā)明的另一個目的是在于提供一種抗輻照人工突觸器件的制備方法。該方法簡單，成本低廉，適合工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)。

為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供了一種抗輻照人工突觸器件，包括金屬底電極層、異質(zhì)結(jié)阻變層和金屬頂電極層，所述金屬底電極層為金屬鈦層，所述異質(zhì)結(jié)阻變層為金屬摻雜氧化鉿層和氧化鈦層形成的復(fù)合層。

本發(fā)明中的人工突觸器件，首先，采用活潑金屬Ti作為底電極，很容易在Ti/氧化層界面形成亞鈦氧層，提高阻變層的氧缺陷濃度；其次，異質(zhì)結(jié)阻變層中采用氧離子親和力大的金屬元素摻雜氧化鉿，進一步提高其氧缺陷濃度。另外，本發(fā)明采用氧化鉿/氧化鈦復(fù)合層作為憶阻材料，氧化鉿和氧化鈦的氧缺陷運動特性相差較大，可以控制氧缺陷的遷移和擴散。

作為一個優(yōu)選的方案，所述金屬摻雜氧化鉿層中的摻雜金屬為Al和/或Cu。采用Al、Cu等氧離子親和力大的金屬元素作為氧化鉿的摻雜元素，能夠與氧化鈦發(fā)揮更好的協(xié)同作用，有利于提高阻變層的氧缺陷濃度。

作為一個優(yōu)選的方案，所述金屬摻雜氧化鉿層中的摻雜金屬的摩爾含量為氧化鉿中鉿元素的9％～12％。控制摻雜金屬含量在合理的范圍能夠很好地促進器件形成多條弱導電細絲，使其電導變化過程中每條弱導電細絲的形成與斷開對整體電導影響較小，進而實現(xiàn)提高器件電導變化的線性度和對稱性。當Al的摻雜量過高時，過多的氧缺陷會一定程度影響器件的RESET過程，不利于電導變化的線性度和對稱性；當Al的摻雜量過低時，無法達到較理想的氧缺陷濃度。

作為一個優(yōu)選的方案，所述金屬摻雜氧化鉿層與氧化鈦層的厚度比為1～1.5:1。控制復(fù)合層中金屬摻雜氧化鉿層和氧化鈦層的厚度比在合適的范圍有利于調(diào)控電場分布。電場分布的不同會導致氧缺陷遷移特性不同，上述金屬摻雜氧化鉿層和氧化鈦層的厚度比有利于實現(xiàn)氧缺陷濃度及其遷移和擴散特性的有效調(diào)制，更好地優(yōu)化電導變化線性度和對稱性。

作為一個優(yōu)選的方案，所述金屬摻雜氧化鉿層和氧化鈦層形成的復(fù)合層的厚度大小為5～70nm。

作為一個優(yōu)選的方案，所述金屬頂電極層為惰性金屬層。金屬頂電極層的材質(zhì)可為Au、Pt等惰性電極中的一種或多種。