一种极化增强的异质结型铁电神经突触器件及其制备方法

1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种极化增强的异质结型铁电神经突触器件及其制备方法。


背景技术：

2.传统的计算机均基于冯诺依曼式计算架构，难以满足日益增加的数据处理需求。人脑可以消耗非常少的能量保证日常生命活动的运行，处理和记忆生命活动的关键信息。受到人脑并行计算工作模式的启发，电子神经突触器件被提出并用于实现类似生物的神经网络计算。
3.铁电存储器具有应用于下一代非易失性存储领域的潜力，具有高存储容量、稳固的保持特性、优异的耐久性及稳定性。基于电畴的极化翻转，铁电存储器可实现电阻状态的转变，并且电阻状态展现出优异的长时间记忆特性。由于两端的铁电存储器中上下电极与突触前后端的结构相似，并且电阻状态的调制过程与生物突触的权重调制过程具有天然的相似性，因此铁电存储器具有应用于构建电子神经突触的潜力。
4.有机铁电材料具有优异的电畴翻转特性，已在电子神经突触的模拟方面崭露头角。另一方面，掺杂的铪基材料作为一种无机铁电材料，也可应用于电子突触器件的模拟。为了获得优异的存储和突触性能，需要增强器件自身的剩余极化强度。然而，单一的材料种类对剩余极划强度的优化能力有限，需要开发多种材料体系兼容的铁电层以获得极化增强的目标。因此，有机无机铁电异质结为极化增强的神经形态器件提供了新的方向。


技术实现要素：

5.本发明公开一种极化增强的异质结型铁电神经突触器件，包括：衬底；底层电极，形成在所述衬底上；无机铁电功能层，覆盖所述底层电极；有机铁电功能层，覆盖所述无机铁电功能层；顶层电极，形成在所述有机铁电功能层上，利用所述有机铁电功能层与所述无机铁电功能层形成异质结，使器件铁电极化增强，扩大突触权重调制区间。
6.本发明的极化增强的异质结型铁电神经突触器件中，优选为，当不对器件施加电压时，所述无机铁电功能层和所述有机铁电功能层的极化翻转均处于无序状态，器件处于初始态；当对所述顶层电极施加正向电压时，所述无机铁电功能层首先发生极化翻转，器件由初始态转变为较低的阻态；继续施加正向电压，所述有机铁电功能层也发生极化翻转，器件转变为最低的阻态；当对所述顶层电极施加反向电压时，所述无机铁电功能层的极化方向再次翻转，器件转变为较高的阻态；继续施加反向电压，所述有机铁电功能层的极化方向再次发生翻转，器件转变为最高的阻态。
7.本发明的极化增强的异质结型铁电神经突触器件中，优选为，所述无机铁电功能层为hfalo
x
，hflao
x
，hfsio
x
或hfzro
x
。
8.本发明的极化增强的异质结型铁电神经突触器件中，优选为，所述有机铁电功能层为p(vdf-trfe)。
9.本发明还公开一种极化增强的异质结型铁电神经突触器件制备方法，包括以下步骤：在衬底上形成底层电极；在所述底层电极上形成无机铁电功能层；在所述无机铁电功能层上形成有机铁电功能层；在所述有机铁电功能层上形成顶层电极，利用所述有机铁电功能层与所述无机铁电功能层形成异质结，使器件铁电极化增强，突触权重调制区间扩大。
10.本发明的极化增强的异质结型铁电神经突触器件制备方法中，优选为，当不对器件施加电压时，所述无机铁电功能层和所述有机铁电功能层的极化翻转均处于无序状态，器件处于初始态；当对所述顶层电极施加正向电压时，所述无机铁电功能层首先发生极化翻转，器件由初始态转变为较低的阻态；继续施加正向电压，所述有机铁电功能层也发生极化翻转，器件转变为最低的阻态；当对所述顶层电极施加反向电压时，所述无机铁电功能层的极化方向再次翻转，器件转变为较高的阻态；继续施加反向电压，所述有机铁电功能层的极化方向再次发生翻转，器件转变为最高的阻态。
11.本发明的极化增强的异质结型铁电神经突触器件制备方法中，优选为，所述无机铁电功能层为hfalo
x
，hflao
x
，hfsio
x
或hfzro
x
。
12.本发明的极化增强的异质结型铁电神经突触器件制备方法中，优选为，所述有机铁电功能层为p(vdf-trfe)。
附图说明
13.图1是极化增强的异质结型铁电神经突触器件制备方法的流程图。
14.图2～图6是极化增强的异质结型铁电神经突触器件制备方法各阶段的结构示意图。
15.图7是施加不同极性和大小的电压时，器件不同阻态的示意图。
具体实施方式
16.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
17.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
18.此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
19.图1是极化增强的异质结型铁电神经突触器件制备方法的流程图。如图1所示，极化增强的异质结型铁电神经突触器件制备方法包括以下步骤：
20.在步骤s1中，准备具有300nm厚的氧化层101的硅片100作为衬底，如图2所示，用于制备极化增强的异质结型铁电神经突触器件。其中氧化层的厚度还可以是100nm、200nm。
21.在步骤s2中，利用电子束蒸发在衬底上生长厚度为70nm的pt作为底层电极102，如图3所示。底层电极材料还可以是pd、au等；厚度范围可取50nm～100nm。
22.在步骤s3中，利用原子层沉积在底层电极102上生长15nm厚的hfalo
x
作为无机铁电功能层103，如图4所示。然后，利用快速热退火在氮气氛围下以450℃退火30s。但是本发明不限定于此，无机铁电功能层还可以是hfalo
x
，hflao
x
，hfsio
x
，hfzro
x
等；厚度范围可取8nm～20nm；退火温度优选为400℃～600℃；退火时长优选为20s～60s。
23.在步骤s4中，在无机铁电功能层103上旋涂有机铁电功能层p(vdf-trfe)104，如图5所示。旋涂转速为1000转/min～4000转/min，优选为3000转/min，旋涂时长为20s～120s，优选为30s。随后对其在真空环境中以125℃～145℃退火2小时～8小时，优选地，退火温度为130℃，退火时长为4小时。
24.在步骤s5中，在有机铁电功能层104上利用电子束蒸发制备厚度50nm～100nm的多个相互间隔排列的圆柱形顶层电极105，完成器件的制备，如图6所示。各顶层电极的直径为30μm～400μm。顶层电极的材料可以是pt，pd，au等。
25.在步骤s6中，利用有机铁电功能层和无机铁电功能层形成异质结，借助不同材料体系的耦合效应，实现电畴翻转极化增强的效果，并利用铁电存储器的电阻转变行为模拟类脑突触器件的可塑性行为，提高了器件的权重响应范围与灵活性。
26.如图7所示，当不对器件施加电压时，无机铁电功能层和有机铁电功能层的极化翻转均处于无序状态，器件处于初始态(阻态1)；
27.当对顶层电极施加正向电压时，无机铁电功能层首先发生极化翻转，器件由初始态转变为较低的阻态(阻态2)；继续施加正向电压，有机铁电功能层也发生极化翻转，器件转变为最低的阻态(阻态3)，相比于仅有无机铁电功能层的极化强度得到加强；
28.当对顶层电极施加反向电压时，无机铁电功能层的极化方向再次翻转，器件转变为较高的阻态(阻态4)；继续施加反向电压，有机铁电功能层的极化方向再次发生翻转，器件转变为最高的阻态(阻态5)，可控的电阻状态可应用于神经突触权重调制，构建高性能的铁电神经形态计算系统。
29.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。