[发明专利]一种抗辐照人工突触器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种抗辐照人工突触器件及其制备方法。该人工突触器件包括金属底电极层、异质结阻变层和金属顶电极层，所述金属底电极层为金属钛层，所述异质结阻变层为金属掺杂氧化铪层和氧化钛层形成的复合层。该器件具有优异的权重更新线性度和对称性以及较强的抗辐照能力，可用于地面和空间电子系统的智能芯片。其制备方法简单，成本低廉，适合工业规模化生产。

技术领域

本发明涉及一种人工突触器件，具体涉及一种抗辐照人工突触器件，还涉及其制备方法，属于电子器件制备领域。

背景技术

二元金属氧化物忆阻器在结构和功能上与生物神经网络中的突触有很多相似的地方：神经突触是两端结构，突触权重可在外界刺激下増强或减弱；忆阻器也是简单的两端器件，两个电极可作为突触前膜和突触后膜，中间阻变层代表突触间隙，并且忆阻器的电导可随外界电场变化。基于二元金属氧化物忆阻器的人工神经网络芯片展示出计算能力高、功耗低等优势。二元金属氧化物忆阻器电导变化对应于生物突触的权重更新，其线性度和对称性在很大程度上决定了人工神经网络芯片的训练精度，因此提高二元金属氧化物忆阻器电导调制线性度和对称性很有意义。

在航天器上应用的忆阻器神经形态芯片，将不可避免地暴露在空间辐射环境下。辐射环境中的高能粒子(如高能伽马射线)会对电子元器件产生影响，有的甚至会直接导致器件的失效，进而影响空间任务的执行。因此，对航天器上应用的忆阻器突触还提出了抗辐照的要求。但由于单层二元金属氧化物忆阻器电导调制线性度和对称性差和其电导调制特性在辐照下损伤规律和机理不清等缺点，制约了其在航天的应用。

发明内容

针对现有人工突触器件存在的抗辐射性能差、权重更新线性度和对称性差等，本发明的目的是在于提供一种抗辐照人工突触器件。该器件抗辐射性能强，权重更新且具有高线性对称性。

本发明的另一个目的是在于提供一种抗辐照人工突触器件的制备方法。该方法简单，成本低廉，适合工业规模化生产。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种抗辐照人工突触器件，包括金属底电极层、异质结阻变层和金属顶电极层，所述金属底电极层为金属钛层，所述异质结阻变层为金属掺杂氧化铪层和氧化钛层形成的复合层。

本发明中的人工突触器件，首先，采用活泼金属Ti作为底电极，很容易在Ti/氧化层界面形成亚钛氧层，提高阻变层的氧缺陷浓度；其次，异质结阻变层中采用氧离子亲和力大的金属元素掺杂氧化铪，进一步提高其氧缺陷浓度。另外，本发明采用氧化铪/氧化钛复合层作为忆阻材料，氧化铪和氧化钛的氧缺陷运动特性相差较大，可以控制氧缺陷的迁移和扩散。

作为一个优选的方案，所述金属掺杂氧化铪层中的掺杂金属为Al和/或Cu。采用Al、Cu等氧离子亲和力大的金属元素作为氧化铪的掺杂元素，能够与氧化钛发挥更好的协同作用，有利于提高阻变层的氧缺陷浓度。

作为一个优选的方案，所述金属掺杂氧化铪层中的掺杂金属的摩尔含量为氧化铪中铪元素的9％～12％。控制掺杂金属含量在合理的范围能够很好地促进器件形成多条弱导电细丝，使其电导变化过程中每条弱导电细丝的形成与断开对整体电导影响较小，进而实现提高器件电导变化的线性度和对称性。当Al的掺杂量过高时，过多的氧缺陷会一定程度影响器件的RESET过程，不利于电导变化的线性度和对称性；当Al的掺杂量过低时，无法达到较理想的氧缺陷浓度。

作为一个优选的方案，所述金属掺杂氧化铪层与氧化钛层的厚度比为1～1.5:1。控制复合层中金属掺杂氧化铪层和氧化钛层的厚度比在合适的范围有利于调控电场分布。电场分布的不同会导致氧缺陷迁移特性不同，上述金属掺杂氧化铪层和氧化钛层的厚度比有利于实现氧缺陷浓度及其迁移和扩散特性的有效调制，更好地优化电导变化线性度和对称性。

作为一个优选的方案，所述金属掺杂氧化铪层和氧化钛层形成的复合层的厚度大小为5～70nm。

作为一个优选的方案，所述金属顶电极层为惰性金属层。金属顶电极层的材质可为Au、Pt等惰性电极中的一种或多种。