[发明专利]一种忆阻器及其应用

说明书

本发明提供了一种忆阻器，包括：依次在衬底上形成底电极层、中间介质层和顶电极层；所述中间介质层由硫族化合物层和氧化物层组成，其中，硫族化合物层与底电极层相接，氧化物层与顶电极层相接。本发明通过采用合适的顶电极与氧化物层和硫族化合物层组合，使得制备出的忆阻器具有超低的工作电压，表现出超高的电灵敏性。本发明还提供了一种忆阻器在制备神经突触仿生器件中的应用，该忆阻器表现出很好的突触可塑性，并具有超低的工作电压下实现了短程可塑性和长程可塑性，成功制备出高灵敏性的神经突触仿生器件。

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种忆阻器及其应用。

背景技术

忆阻器(memristor)是除电阻器、电容器、电感器之外的第四种基本无源电子器件。“蔡少棠”最早于1970年代在研究电荷、电流、电压和磁通量之间关系时推断出这种元件的存在，并指出它代表着电荷和磁通量之间的关联。忆阻器具有电阻的量纲，但有着不同于普通电阻的非线性电学性质。忆阻器的阻值会随着流经它的电荷量而发生改变，并且能够在断开电流时保持它的阻值状态。这种电流控制型忆阻系统阻值与施加电压及时间等满足一定的数学关系，然而具有这种数学关系和性质的是一种理想的器件，没能在单一的器件中被发现，所以忆阻器一直被认为是“丢失的器件”。直到2008年，惠普实验室Williams小组提出了可以在单一电子器件中实现忆阻行为的模型。该组科研人员利用双层TiO₂薄膜组成一个忆阻器件，通过调节导电前端(由于氧空位的迁移导致的界面移动)调控阻值的变化。

通过十几年的研究，忆阻器在阻变存储器和神经网络上取得了广泛应用。阻变存储器具有结构简单、集成度高、操作速度高、能耗低、与传统CMOS工艺兼容等优势，在不久的将来有望全面取代静态存储器、动态存储器及闪存，成为主流数据存储器件。但是器件的稳定性和功耗带来的困难依然困扰着阻变存储器的实际应用。

神经突触(synapse)是人类大脑学习和记忆的最小单元，因此神经突触学习功能的仿生模拟被认为是实现人工神经网络的重要手段。突触一方面能够动态的反应外界的电位刺激，并能够保持一系列连续的状态。此外，作为突触很重要的特点——突触可塑性，往往会产生一系列与空间和时间相关联的功能。正因为突触这些非线性特性及与时间关联的等复杂特征，导致在物理上难以对其进行精确模拟。忆阻器具有其电阻可以随流经电量而发生连续的电阻变化，这一非线性电学特性与神经突触的非线性传输特性具有高度的相似性。因此，利用忆阻器模拟神经突触具有天然的优势。

无论忆阻器应用于存储器或是开发出有自主学习能力的计算机，必须满足高性能和低功耗的要求。现有文献的报道中，忆阻器的工作电压大多在1V以上，大的工作电压势必造成高功耗，难以应用于人工网络，而且大的工作电压会影响器件的可控性和稳定性。公开号为CN103078054A和CN102832343B的专利文献公开了基于硫系化合物、金属氧化物的忆阻器，可以看到其器件的工作电压较大，不具有高的电灵敏性，工作机理为焦耳热引发的材料相变或电场引发的离子迁移致其电阻的变化而实现电阻的变化。但较大的工作电压势必会导致材料微结构的变化，从而难以保证突触器件实现优异的循环稳定性和抗疲劳特性。

发明内容

本发明提供了一种忆阻器，通过采用合适的顶电极与氧化物层和硫族化合物层组合，使得电阻变化的阈值电压降低至2mV左右，表现出超高的电灵敏性，大幅度降低了器件的功耗。在生物神经突触模拟方面表现出很好的突触可塑性，并在超低的工作电压(6mV)下实现了短程可塑性和长程可塑性，表现出高度的电灵敏性。成功制备出高度灵敏的神经突触仿生器件。超低的工作电压使其器件内部结构变化减小，所以极大的增强了器件的时间保持性和抗疲劳性，大幅度降低了器件的功耗。

本发明提供的一种忆阻器，包括：依次在衬底上形成底电极层、中间介质层和顶电极层，所述中间介质层由硫族化合物层和氧化物层组成，其中，硫族化合物层与底电极层相接，氧化物层与顶电极层相接。