[发明专利]一种忆阻器及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种忆阻器，包括自下而上依次组成的底电极、介质层和顶电极，所述介质层选自绝缘材料，所述顶电极选自导电材料，所述介质层和顶电极分别独立选自硫化物、硒化物或碲化物。通过使用合适的顶电极与介质层薄膜组合，忆阻器件表现出独特的低阻态自恢复现象，涉及器件材料内部微结构随焦耳热和时间的变化，属于一种异常的忆阻效应，利用该现象可以进行突触短程抑制功能的模拟。本发明还公开了所述的忆阻器的制备方法，包括：(1)在衬底上依次形成底电极和介质层；(2)在所述介质层上形成若干个相互隔离的顶电极。所述制备方法操作简单、成本低，适合大规模推广应用。

技术领域

本发明涉及微电子器件技术领域，具体涉及一种忆阻器及其制备方法和应用。

背景技术

忆阻器基本结构为两层导电材料中间夹着一层半导体或者绝缘材料的三明治结构，被认为是除电阻、电容、电感外的第四种基本无源电子器件。1971年蔡少棠教授通过数理推导提出了忆阻器的物理模型与数学关系，2008年惠普实验室研究人员将忆阻器与电阻转换效应相互联系，制备了第一个忆阻器的原型器件。忆阻器具有电阻的量纲，在外加电场的刺激下，忆阻器会表现出两个或两个以上的稳定的电阻态；并且能够在电流断开时保持之前的阻值状态，即具有记忆功能。

忆阻器结构与突触相似，且具备本征非线性和集成密度高等特征。由突触和神经元相互连接而成的神经网络可以通过突触权重(突触之间相互连接的强度)变化来高效的处理和记忆复杂或非结构化的问题，因此模拟突触的功能对于人工神经网络计算十分重要。生物体的学习与适应等功能是以精确控制通过神经元及突触的Ca²⁺与K⁺离子流为基础建立的。由于人脑包含大约10¹¹个神经元和10¹⁴个突触，每个神经元大约与周围10³个突触相互关联；不同位置的突触能够动态地反应对应的刺激信号，并能保持多个连续的状态；突触的可塑性存在时间与空间的相互关联。因此对于生物神经系统的模拟是十分的复杂，而且很难到达理想的状态。由于忆阻器本征的优势，利用忆阻器实现神经突触功能将会是一种简单且有效的方法，因而忆阻器神经突触仿生电子器件在材料、芯片、生物等领域都引起广泛的关注。忆阻器基新型神经突触仿生电子器件将会使类人脑的认知型智能机器成为现实。

突触的可塑性是神经突触的一个重要的特征、同时也是人工神经网络中模拟大脑功能时必要实现的，突触的可塑性是指大脑中大量突触之间的相互连接强度改变。因此，突触可塑性被认为是学习和适应的神经化学基础。突触短时可塑性分为短程增强与短程抑制，分别对应于突触受刺激后的短暂的神经连接增强与减弱。短程可塑性是生物体感受或者适应的主要方式。忆阻器模拟突触的短程增强已经被大量的报道，然而能实现突触短程抑制功能的忆阻器却鲜有报道。

要开发出类人脑的认知型智能机器，必须制备出可实现全突触功能的突触仿生电子器件，尤其要求器件具有优异的非线性和稳定性。现有的忆阻器神经突触器件机理多为以电信号或者光信号作为驱动力，通过离子的迁移或载荷的捕获/释放来模拟突触可塑性。公开号为CN103078054A和CN103078055A的专利说明书公开了基于硫系化合物忆阻器的模拟生物神经突触的单元及模拟神经突触的方法，此突触器件单元的工作机理为电场引发的离子迁移与电流的热效应共同作用致使器件的电阻改变而实现神经突触的短程增强与长程可塑性功能的模拟，缓变型忆阻器件均可实现短程增强与长程可塑性功能的模拟，本报道首次利用硫化物薄膜组合忆阻器中的低阻态自恢复效应实现了突触短程抑制功能的模拟。

公开号为CN106299114A的专利说明书公开了一种忆阻器，包括：依次在衬底上形成底电极层和中间介质层，在中间介质层上形成顶电极，所述中间介质层的材料为在氧化性气氛中进行热处理后的硫化物，其中顶电极层的材料为金属铜、银、铝、钛、镍、锌、锡、锰和铁中的任意一种。上述中间介质层需要热氧化处理，操作复杂。

发明内容