[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及其制备方法和应用，该忆阻器包括从上到下依次设置的顶电极、阻变层及底电极，所述底电极为含硅衬底，所述阻变层为含硅衬底表面形成的天然氧化层。本发明中的忆阻器采用天然氧化层作为阻变层，天然氧化层是由空气自然氧化形成，具有厚度薄、与含硅衬底之间几乎完美的接触界面、表面原子级别光滑、无需人工制备、成本低、与互补金属氧化物半导体工艺兼容等优势，克服了本领域普遍认为的含硅衬底表面的天然氧化层不利于忆阻器性能的技术偏见。此外，本发明中的忆阻器同时具有优异的数据保持能力、高稳定性、模拟开关特性三种性能。

技术领域

本发明涉及微电子器件领域，具体涉及一种忆阻器及其制备方法和应用。

背景技术

忆阻器是一类电导可以受到电场调控的器件，其包含顶电极、阻变层、底电极三层结构，与神经突触的突触前膜、突触间隙、突触后膜结构类似，被视为模拟神经突触的理想元件之一。金属阳离子型忆阻器(ECM)是一种常见的忆阻器，该器件的结构一般包含三层：活性金属顶电极层(如Ag、Cu等)/阻变层(如SiOx、TaOx等)/惰性底电极层(如Au、Pt、掺杂Si等)。当给器件的顶电极施加正向电压时，活性金属就会注入到绝缘层中形成金属导电细丝(CF)连接顶底电极，器件进入低阻态(LRS)，此过程称之为SET过程。当给器件顶电极施加反向电压时，金属离子反向移动导致导电细丝断裂，器件重新回到高阻态(HRS)，此过程称之为RESET过程。由于活性金属的活化能相对较低，ECM器件的开关速度快，开关电压低，同时还具有电流开关比大的优势。但是活性金属活化能低同样会导致器件在不施加偏压时CF因扩散而断裂，即器件的LRS的保持时间短。由于CF在阻变层中的形成以及断裂都是随机的，ECM器件还普遍存在着循环稳定性差、器件与器件之间差异大的问题。此外，人工制备的阻变层一般厚度较厚，器件在承受正向偏压时很容易出现过冲的问题，在阻变层中瞬间形成单一、鲁棒的CF，因此器件会从HRS突变到LRS，无法模拟神经突触连续的权重变化，这是限制ECM器件应用于类脑计算领域的原因之一。总的来说，ECM器件普遍存在着数据保持时间短、稳定性差以及突变型开关特性的问题。另外，现有的ECM器件的阻变层是通过物理沉积、化学沉积以及溶液旋涂等方法制备的，存在着制备工艺繁琐、制备成本高的劣势。

为提高ECM器件的数据保持时间，有研究者在活性金属顶电极以及阻变层之间插入了一层具有纳米孔洞缺陷的石墨烯二维材料，器件的数据保持时间虽然得到了改善，但器件依旧表现出突变型的开关特性，同时操作繁琐、失败率高的二维材料转移过程使得该方法暂时难以得到进一步的大规模应用。为了提高ECM器件的循环稳定性，有研究者采用多层二维材料PdSe₂作为阻变层材料，并通过电子束刻蚀的方法在PdSe₂材料中制作出晶界，晶界的存在可以使RESET过程中CF不完全扩散掉，剩余在晶界中的CF可以成为骨架以引导下一轮SET过程中CF的生长，因此该ECM器件的循环稳定性得到了提高，但是器件依然表现出突变型的开关特性。为实现ECM器件的模拟型开关特性，有学者直接在阻变层中掺杂纳米活性金属团簇，在给器件施加正向电压时金属团簇发生迁移可以在阻变层中形成多条纤细的CF而非单一、鲁棒的CF，每条CF的形成与断裂只贡献整体电导变化的一部分，因此该方法实现了ECM器件的模拟型开关特性，但是纤细的CF可能会导致器件的数据保持能力差。总之，现有技术都仅能使ECM器件具备高稳定性、长数据保持时间、模拟开关特性三个特性中的其中一个，无法使ECM器件同时兼具高稳定性、长数据保持时间、模拟开关特性的特性。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种忆阻器。

本发明的目的之二在于提供一种忆阻器的制备方法。

本发明的目的之三在于提供一种忆阻器的应用。