一種浮柵憶阻器的製作方法

2023-09-19 20:44:35

本發明一種浮柵憶阻器，涉及基於憶阻器的神經形態計算領域，尤其涉及一種基於納米電池和電晶體浮柵的離子型突觸憶阻器。

背景技術：

基於神經網絡的智能學習系統已經取得了令人矚目的成就，諸如谷歌deepmind公司的圍棋人工智慧alphago，卡耐基梅隆大學的德州撲克程序，史丹福大學的皮膚癌識別程序。基於神經網絡的人工智慧系統已經涉及金融、醫療、交通和環境領域中的方方面面。神經網絡的基本構建單元是神經突觸和神經元，長期以來，人們一直嘗試開發電子突觸，1971年，加州伯克利大學電子工程系蔡少棠教授首先提出憶阻器模型，2008年hp公司發現了憶阻器，並且測試器件表現出了突觸行為，這極大地促進了人們對憶阻器的研究。

目前，不同材料和結構的憶阻器已被廣泛研究。從憶阻材料看，主要分為氧化物憶阻器、固體電解質憶阻器、有機和聚合物材料憶阻器、氮化物憶阻器等。從結構看，主要有二端金屬-氧化物-金屬構型憶阻器和三端場效應構型憶阻神經突觸。其中，二端憶阻器，是最早被開發出來的憶阻器，不僅具有開關速度快、能耗低、尺寸小、非易失性存儲等優點，更重要的是具備非線性記憶等特徵，已被廣泛研究。然而，隨著研究深入，金屬-氧化物-金屬構型憶阻器存在憶阻行為不穩定、可控性差、讀/寫噪聲大等問題，限制了其在類腦計算器件中應用。基於三端場效應構型憶阻神經突觸通過柵極電壓調控離子型電池陰極材料中的陽離子濃度，引起陰極材料電子電導的變化，電導變化可從源漏極電壓電流測出，這使得它的阻變依賴導電通道中的離子濃度，而不必引起器件結構性變化，使得其憶阻特性得到了顯著改善，尤其是讀/寫噪聲得到了有效抑制，但其三端架構不利於器件尺寸的進一步微縮，嚴重製約該類器件在神經形態器件領域的可能應用。

神經突觸的最重要功能是其可塑性，因為有了可塑性，神經網絡才具備了學習能力。神經突觸的作用是將上一個神經元中電位信號變為化學信號，傳遞給下一個神經元，其電位傳遞依賴的是生物細胞膜中的鈉鉀泵，鈉鉀泵可將細胞外相對細胞內較低濃度的鉀離子送進細胞，並將細胞內相對細胞外較低濃度的鈉離子送出細胞，通過對離子的輸運來調控細胞電位。這反映出二端突觸器件能更好地模擬突觸行為，為了模擬離子從突觸前膜傳遞到突觸後膜的過程，可以使用納米電池。納米電池可以通過外部電場精確地調控正負極材料的離子濃度，模擬了離子從突觸前膜傳遞到突觸後膜的過程。然而，要想讀出離子分布變化引起的電導變化，使用二端器件卻十分困難，因為電子基本無法通過納米電池的電介質，而離子的遷移歷史只表現為正負極材料中的離子濃度，這就需要引入新的結構去記錄和讀取納米電池中的離子遷移歷史，以此來模擬突觸行為。

技術實現要素：

針對現有的二端憶阻器和三端憶阻器存在的上述問題，本發明提出了浮柵憶阻器，可以模擬生物學神經突觸，可以應用於神經形態計算領域和類腦計算領域。

本發明的技術方案是，一種浮柵憶阻器，所述離子種類包括各種鹼金屬元素或鹼土金屬元素，例如鋰(li+)、鈉(na+)、鉀(k+)、鈣(ca2+)等中的至少一種或兩種以上的組合。

本發明採用以下技術方案，如圖1所示：

本發明的一種浮柵憶阻器，其基本結構依次包括前電極，前介質層，前浮柵層，納米電池陽極，納米電池電解質，納米電池陰極，後浮柵層，後介質層，後電極，如圖2所示。

其中前電極、前介質層、前浮柵層和納米電池陽極模擬了突觸前膜，利用電子隧穿和場效應將電子信號轉化為離子信號，納米電池電解質作為離子通道模擬了突觸間隙，納米電池陰極、後浮柵、後介質層和後電極模擬了突觸後膜，將離子信號轉化為電子信號，完成一次激活，突觸權重表現為納米電池中離子的遷移歷史和前、後浮柵層中儲存的電子數量。

本發明所述的浮柵憶阻器利用納米電池中的電化學反應使電池系統內的鹼金屬或鹼土金屬離子在正負電極遷移。利用電晶體中的浮柵結構通過場效應引起電池中的鹼金屬或鹼土金屬離子遷移，並通過電子的隧穿機制記錄和讀取納米電池中鹼金屬或鹼土金屬離子的遷移歷史，如圖3所示。

對本發明的一種浮柵憶阻器進一步描述如下：

其中，所述前、後電極用於連接外部電源，厚度分別為20納米～40納米，採用惰性電極，例如鉑(pt)或者金(au)。

其中，所述前、後浮柵層用於儲存從前、後電極隧穿過來的電子並提供電場誘導納米電池中的鹼金屬或鹼土金屬離子遷移。前、後浮柵層厚度分別為4納米～10納米，前、後浮柵層的材料可包括惰性金屬、金屬氮化物或摻雜半導體，例如鉑(pt)、金(au)、摻雜多晶矽(si)、氮化鉭(tan)等。

其中，所述前、後介質層均可分為電子隧穿層和電子阻擋層，靠近前、後電極部分是電子隧穿層，其作用是使電子在前電極和前浮柵層、後電極和後浮柵層之間通過電場作用隧穿並產生隧穿電流，電子隧穿層厚度為2納米～8納米；靠近電池陰陽極部分是電子阻擋層，其作用是阻擋電子從前、後浮柵層隧穿進入納米電池，電子阻擋層厚度為6納米～12納米。前介質層加前浮柵層總厚度為12納米～30納米。後介質層加後浮柵層總厚度為12納米～30納米。前、後介質層材料包括各種高k介質，例如二氧化鈦(tio2)、氮化矽(si3n4)、二氧化鉿(hfo2)、五氧化二鉭(ta2o5)、氧化鋯(zro2)、氧化鋁(al2o3)、二氧化矽(sio2)等中的至少一種。

其中，所述納米電池陽極作為鹼金屬或鹼土金屬離子的暫存區，其厚度為4納米～10納米，其材料包括鹼金屬元素化合物、鹼土金屬元素化合物或半導體氧化物，例如鈦酸鋰(li4ti5o12)，多晶矽(si)，氧化鈦(tio2)，氧化釩(v2o5)。

其中，所述納米電池電解質作為鹼金屬或鹼土金屬離子的輸運通道，使得離子容易通過而電子很難通過，其厚度為6納米～20納米，材料包括鹼金屬或鹼土金屬化合物，例如鋰磷氧氮(lipon)、鉭酸鋰(litao3)、鈮酸鋰(linio3)等。

其中，所述納米電池陰極作為鹼金屬或者鹼土金屬離子源，在浮柵電場誘導下，經過電化學反應驅動，使得離子輸運到納米電池陽極。其厚度為4納米～12納米，其材料包括鹼金屬或鹼土金屬元素化合物，例如鈷酸鋰(licoo2)、鎳酸鋰(linio2)、錳酸鋰(limn2o4)、磷酸亞鐵鋰(lifepo4)等。

所述浮柵憶阻器的工作原理：

通過前後浮柵層中的電子記錄中間納米電池的離子輸運歷史。前後浮柵層和前後電極間通過隧穿實現電子輸運，浮柵層和納米電池層通過電場效應驅動電池中的電化學反應進行離子輸運。

電子從前電極隧穿進前浮柵層後，引起納米電池陽極材料中的電荷分布發生變化，具體來講，納米電池陽極材料需要額外的陽離子以中和前浮柵層電子電場，這樣一來，納米電池陰極中的陽離子便被誘導從納米電池陰極穿到陽極，納米電池陰極材料中的陽離子走後，富餘出來的電子又會引起後浮柵層中的電子隧穿進入後電極。

在寫入過程中，通過對前電極施加脈衝使得電子隧穿進入前浮柵層，引起納米電池中的鹼金屬或鹼土金屬離子的分布發生變化，如果後電極能輸出脈衝電流，則說明完成一次激活。每完成一次激活，前浮柵層中的電子濃度，納米電池正負極中的鹼金屬或鹼土金屬離子濃度，以及後浮柵層中的電子濃度會發生變化，每一種濃度分布記做一個狀態，那麼，隨著激活次數的增加，器件將越來越容易被激活，如果對前電極施加反向電壓，則將抑制後電極下次產生隧穿電流，這種機制很好的模擬了神經生物突觸的可塑性。

本發明具有如下特點：

1.本發明利用納米電池電化學反應和浮柵結構隧穿效應實現電子/離子耦合作用的分離，消除電子/離子耦合作用對憶阻器讀/寫過程的影響，提高憶阻器的可控性。

2.本發明結合納米電池和半導體浮柵工藝很好的模擬了神物神經突觸的可塑性，在結構和功能上與生物神經突觸更加接近，可有效促進基於神經突觸可塑性的神經網絡研究和類腦研究，所採用的兩端結構有利於crossbar(即crosspoint，交叉開關矩陣或縱橫式交換矩陣)結構集成，如圖4所示,並且能夠兼容cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，互補金屬氧化物半導體)技術,這使得器件可以大規模集成。

3.本發明採取的納米電池在電池行業已經獲得了廣泛的應用,所採取的半導體浮柵工藝已廣泛應用於快閃記憶體技術中，這有利於浮柵憶阻器的大規模生產及產業化應用。

附圖說明

圖1為本發明所述浮柵憶阻器的技術方案圖。

圖2為本發明所述浮柵憶阻器的結構圖。

圖3為本發明所述浮柵憶阻器的原理圖。

圖4為本發明所述浮柵憶阻器crossbar結構示意圖。

圖中具體標號如下：101-後電極；102-後介質層；103-後浮柵層；104-納米電池陰極；105-納米電池電解質；106-納米電池陽極；107-前介質層；

108-前浮柵層；109-前電極；201-基底；301-突觸前膜；302-突觸間隙；

303-突觸後膜；1-人工突觸；3-生物突觸；n-納米電池；s-半導體浮柵

具體實施方式

本發明結合附圖實施例作進一步詳細說明，以下所述實施例旨在便於對本發明的了解，其特定的結構細節和功能細節僅是表示描述示例實施例的目的，對其不起任何限定作用。因此，可以以許多可選形式來實施本發明，且本發明不應該被理解為僅僅局限於在此提出的示例實施例，而是應該覆蓋落入本發明範圍內的所有變化、等價物和可替換物。

實施例1：

本實施例涉及的一種浮柵憶阻器結構如圖2所示，一種基於納米電池和電晶體浮柵的離子型突觸憶阻器，器件的基本結構依次包括後電極101，後介質層102，後浮柵層103，納米電池陰極104，納米電池電解質105，納米電池陽極106，前介質層107，前浮柵層108，前電極109。後電極101採用30納米的鉑；後介質層102採用氧化鋁，其中電子隧穿層厚度為4納米，電子阻擋層厚度為10納米；後浮柵層103採用6納米的氮化鉭；納米電池陰極104採用4納米的鈷酸鋰；納米電池電解質105採用10納米的鋰磷氧氮；納米電池陽極106採用6納米的鈦酸鋰；前介質層107採用厚度為20納米的氧化鋁，其中電子隧穿層厚度為4納米，電子阻擋層厚度為10納米；前浮柵層108採用6納米的氮化鉭；前電極109採用30納米的鉑。

本發明實施例1的結構通過採用等離子體增強脈衝雷射沉積(pld)技術、超高真空多靶磁控濺射與半導體光刻工藝等相結合，由下至上在基底上逐層製備。首先，在平整潔淨的基底201上，採用磁控濺射製備一層金屬鉑作為後電極101，然後採用脈衝雷射沉積在後電極101上表面沉積一層氧化鋁薄膜作為電子隧穿層，再在電子隧穿層上採用磁控濺射製備一層氮化鉭並進行光刻及溼法刻蝕作為後浮柵層103，在後浮柵層上使用脈衝雷射沉積製備氧化鋁薄膜作為電子阻擋層，完成後介質層102；在後介質層102上使用脈衝雷射沉積製備鈷酸鋰薄膜作為納米電池陰極104；在納米電池陰極104上採用脈衝雷射沉積製備一層鋰磷氧氮薄膜作為納米電池電解質105；在納米電池電解質105上採用脈衝雷射沉積製備一層鈦酸鋰作為納米電池陽極106；在納米電池陽極106上採用脈衝雷射沉積製備一層氧化鋁薄膜作為電子阻擋層，再在電子阻擋層上採用磁控濺射製備一層氮化鉭並進行光刻及溼法刻蝕作為前浮柵層108，在前浮柵層上使用脈衝雷射沉積製備氧化鋁薄膜作為電子隧穿層，完成前介質層107；最後在前介質層107表面採用磁控濺射製備一層金屬鉑作為前電極109。

在寫入過程中，對前電極施加電流脈衝使得電子隧穿進入前浮柵層，通過前浮柵層的場效應誘導納米電池中的鋰離子從鈷酸鋰經過鋰磷氧氮移向鈦酸鋰遷移，引起納米電池中的鋰離子分布發生變化，鈷酸鋰中富餘的電子通過場效應使得電子從後浮柵層隧穿進入後電極，使得後電極輸出脈衝電流，完成一次激活。每完成一次激活，前浮柵層中的電子濃度，納米電池正負極中的鋰離子濃度，以及後浮柵層中的電子濃度會發生變化，每一種濃度分布記做一個狀態，那麼，隨著激活次數的增加，器件將越來越容易被激活，如果對前電極施加反向電壓，則將抑制後電極下次產生隧穿電流，這種機制很好的模擬了神經生物突觸的可塑性。