一种基于SiO2神经仿生层的神经仿生器件及其制备方法与流程

本发明涉及微电子器件技术领域，具体地说是一种基于SiO₂神经仿生层的神经仿生器件及其制备方法。

背景技术：

在信息技术领域，减小存储单元的面积是发展当前数据存储技术的一个主要驱动力。但是，在未来15 到20 年之内，当前的存储技术将达到其物理极限，难以再进一步发展。为了促使存储技术的持续发展，需要找到一种新的发展方向。其一种可能的发展方向是从生物学仿生而来的认知存储，它不像当前的存储器只有数据存储这种单一功能，而是像人的记忆一样丰富多彩，能够实现数据存储、信息处理以及最重要的认知功能，如可适应、学习、具有洞察力、新知识的构建等等。这种认知存储的功能作为驱动力的数据存储技术需要利用具有认知功能的器件搭建人工神经网络，因此，开发认知存储器这种具有认知功能的微电子器件，就是目前行业内研究的热点。

在认知存储器中，用作构建人工神经网络的电子突触器件，是最基本的一种认知存储器。电子突触器件如同神经突触，是不同神经元之间的连接，具有用以表征神经元之间连接强度的突触权重，并且在不同的刺激下，突触权重能进行相应的改变，从而实现学习和记忆的功能。然而，在神经网络当中，神经突触数目庞大，需要减小电子突触器件的面积和功耗，才有可能构建具有一定规模、一定认知功能的神经网络。近年来，人们通过大量实验和测试，发现忆阻器这种新型的电子元器件具有类似优良的特性，其中忆阻器的记忆功能和可操控性和生物体神经突触有很高的相似性。人类大脑中存在10¹¹-10¹⁴个神经元，而连接这些神经元的突触数量则高达10¹⁵。神经突触由三部分组成：突触前膜、突触后膜以及两膜间的窄缝——突触间隙，其间距通常为20-40nm。在电信号刺激下，携带传递信息的神经递质由突触前神经元通过突触间隙单向传输到突触后神经元。因此，突触前后膜类似于忆阻器的两端金属电极，而突触间隙类似于忆阻器的介质层，其厚度约为数十纳米。

突触可塑性是生物体神经突触的最基本特性，突触会随着神经元之间连接强度的强弱动态的刺激或抑制信号，使得信号保持连续变化。这就要求器件能够在施加电信号作用下，实现电阻值的渐变。忆阻器能够模拟神经突触，最基本的依据是他们都有非线性电学性质，即利用忆阻器两类电学性质（变化迥异的高、低两种电阻状态，来实现电阻缓变行为）应用于神经突触的模拟中。但是，目前的仿生器件由于其神经仿生层材料和结构设计不合理导致器件在施加电压时存在高低阻态之间转换的连续性较差、连续性变化的电导性能差、器件的稳定性低的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种基于SiO₂神经仿生层的神经仿生器件及其制备方法，以解决现有神经仿生器件存在施加电压时存在高低阻态之间转换连续性较差、器件稳定性差的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于SiO₂神经仿生层的神经仿生器件，包括Ag衬底、在所述Ag衬底上依次形成的神经仿生层和Ag电极层；所述神经仿生层从下而上依次包括：第一SiO₂膜层、Ag膜中间层、第二SiO₂膜层。

所述第一SiO₂膜层、Ag膜中间层、第二SiO₂膜层的厚度比为5:1:5；所述Ag膜中间层的厚度优选为2-6nm，所述Ag膜中间层的厚度更优选为2nm，即所述神经仿生层的厚度在20-25nm之间其实用性更好。

所述神经仿生层采用磁控溅射的方法制备而成。

所述Ag电极层的厚度为50-300nm；所述Ag电极层为均匀分布在所述神经仿生层上的若干直径为80-200μm的圆形电极。

本发明还提供了一种基于SiO₂神经仿生层的神经仿生器件的制备方法，包括以下步骤：

（a）将Ag衬底依次在去离子水、丙酮和酒精中分别用超声波清洗，然后取出用 N₂吹干；

（b）将清洗好的Ag衬底固定到磁控溅射设备腔体的衬底台上，并将腔体抽真空至1×10^-4-4×10^-4Pa；

（c）在腔体内的靶台上放置SiO₂靶材，直流靶台上放置Ag靶材，向腔体内通入Ar和O₂，调整接口阀使腔体内的压强维持在1-6Pa，打开控制SiO₂靶材起辉的射频源，调整射频源功率为100-200W，使SiO₂靶材起辉，预溅射8-15min；

（d）预溅射完毕后，开始正式溅射，在Ag衬底上生长SiO₂膜层，正式溅射时间为25-30min，得第一SiO₂膜层；

（e）将SiO₂靶材的射频源关掉，并将腔体抽真空至1×10^-4-4×10^-4Pa，衬底加热至400℃，打开控制Ag靶材的直流电源，调整射频源功率为8-11W，使Ag靶材起辉，预溅射8-15min，开始正式溅射，在第一SiO₂膜层上生长Ag膜层，正式溅射时间为4-8s，得Ag膜中间层；

（f）将Ag靶材的直流电源关掉，保持衬底温度为400℃，打开放置SiO₂靶材起辉的射频源，调整直流源功率为130-170W，使SiO₂靶材起辉，预溅射8-15min，开始正式溅射，在Ag膜中间层上生长SiO₂膜层，正式溅射时间为25-35min，得第二SiO₂膜层；

（g）在形成第二SiO₂膜层后的Ag衬底上放置掩膜版，将磁控溅射设备腔体抽真空至1×10^-4-4×10^-4Pa；向腔体内通入流量为20-30sccm的Ar，调整接口阀使腔体内的压强维持在1-6Pa，打开控制Ag靶材起辉的直流源，调整直流源功率为8-11W，使Ag靶材起辉，预溅射4-6min；开始正式溅射6-10min，在第二SiO₂膜层上形成Ag电极层。

步骤（c）中所述Ar和O₂向腔体的通入流量比为50-100sccm : 15-35sccm。

步骤（d）、（e）、（f）中控制第一SiO₂膜层、Ag膜中间层和第二SiO₂膜层的厚度比为5:1:5；所述Ag膜中间层的厚度优选为2-6nm；更优选为2nm。

步骤（g）中Ag电极层的厚度为50-300nm。

步骤（g）所述的掩膜版上均布有直径为80-200μm的圆形孔。

步骤（g）所述Ag电极层所述Ag电极层为均匀分布在所述神经仿生层上的若干圆形电极。

本发明提供的神经仿生器件设计为Ag衬底、神经仿生层和Ag电极层，并将神经仿生层设计为特定材料及特定厚度比的第一SiO₂膜层、Ag膜中间层和第二SiO₂膜层；通过特定磁控溅射工艺处理，使Ag膜中间层部分扩散到第一SiO₂膜层和第二SiO₂膜层内，得到了一种高阻态与低阻态之间能发生缓慢的变化、有多个稳定的高低阻态且保持良好特性、可实现神经仿生要求的神经仿生器件。本发明所制备的器件其两端分别作为两个输入端，分别为突触前刺激和突触后刺激，根据突触前刺激和突触后刺激的时间差而改变电阻，能够模仿生物突触的特性，在施加不同电脉冲的刺激下改变其电阻的阻值，其高、低阻态会发生缓慢变化，且范围稳定；出现多个稳定阻态并具有良好的保持特性，在重复施加电脉冲刺激的情况下，能够记住改变的状态，高低阻转化的重复性高，是一种性能更为稳定、应用前景更为广阔的神经仿生器。

附图说明

图1是本发明所提供的神经仿生器件的结构示意图。

图2是本发明中用于制备神经仿生器件的磁控溅射设备的结构示意图。

图3是本发明实施例2所制备的神经仿生器件电流-电压变化状态图。

图4是本发明实施例2所制备的神经仿生器件两端电压随源表电压的变化图。

图5是本发明实施例2所制备的神经仿生器件的活动时序依赖突触可塑性（STDP）功能图。

具体实施方式

下面实施例用于进一步详细说明本发明，但不以任何形式限制本发明。

实施例1

本发明所提供的神经仿器件，其结构如图1所示，包括最底层的Ag衬底1、Ag衬底1上的神经仿生层2，神经仿生层2上的Ag电极层3。

其中神经仿生层2由三层膜层依次叠加构成，由下至上依次为第一SiO₂膜层21、Ag膜中间层22、第二SiO₂膜层23。第一SiO₂膜层21、Ag膜中间层22、第二SiO₂膜层23的厚度比为5:1:5；其Ag膜中间层22为2-6nm，优选2nm，一般来讲，神经仿生层2的总厚度在20-25nm范围内实用性更好。神经仿生层2采用磁控溅射方法制备而成，其Ag膜中间层2部分扩散在第一SiO₂膜层21和第二SiO₂膜层23内。

Ag电极层3的厚度可以在50-300nm范围内；Ag电极层3为均匀分布在所述神经仿生层上的若干直径为80-200μm的圆形电极。

实施例2

本发明所提供的神经仿生器件的制备方法包括如下步骤：

一、在衬底上形成神经仿生层

（1）准备衬底

选择Ag作为衬底，然后将Ag衬底放在丙酮中用超声波清洗10min，然后在放入酒精中用超声波清洗10min，再用夹子取出放入去离子水中用超声波清洗5min，最后取出，用N₂吹干。

（2）将衬底放入腔体并抽真空

采用如图2所示的磁控溅射设备，打开磁控溅射设备腔体4，拿出压片台9，用砂纸打磨去掉表面污渍至其色泽均匀发亮，用丙酮清洗打磨下来的废物和表面附着的有机物，用酒精最后擦拭干净。将清洗好的Ag衬底放在压片台9上压片，压片时保证Ag衬底稳固压在压片台9上并且压平，保证溅射时候生长薄膜均匀。将整理好的压片台9放入腔体4内的衬底台8上，固定好后关闭腔体4，对腔体4抽真空至2×10^-4Pa。

（3）通入气体

在腔体4内的压片台9的下方设置有靶台6和靶台12，靶台6上用于放置银靶材7，靶台12上用于放置二氧化硅靶材11。二氧化硅靶材由磁控溅射设备腔体外的射频源来控制其起辉，而银靶材由磁控溅射设备腔体外的直流源来控制其起辉。

当腔体内的气压为2×10^-4Pa时，打开两个气瓶，通过充气阀5向腔体内通入流量比为75sccm : 25sccm的Ar和O₂，调整接口阀10使腔体内的压强维持在1-6Pa，打开控制二氧化硅靶材起辉的射频源，调整射频源功率为150W，使二氧化硅靶材起辉，预溅射10min。

（4）第一SiO₂膜层的形成

在二氧化硅预溅射之后，打开挡板，开始正式溅射30min，在Ag衬底上形成一层SiO₂膜层，即为第一SiO₂膜层。

（5）Ag膜中间层的形成

将控制二氧化硅靶材起辉的射频源关掉，将腔体抽至2×10^-4Pa，打开控制Ag靶材起辉的直流电源，衬底升温至400℃，调整射频源功率为10w，使银靶材起辉，预溅射10min，然后正式溅射6s，得Ag膜中间层，此时Ag膜中间层的Ag已部分扩散进入第一SiO₂膜层内。

（6）第二SiO₂膜层的形成

形成Ag膜中间层后，关闭直流电源，打开射频电源，在衬底温度为400℃情况下，控制二氧化硅靶材起辉的射频源，调整射频源功率为150W，使二氧化硅靶材起辉，预溅射10min，开始正式溅射30min，在Ag膜中间层上形成第二SiO₂膜层，此时Ag膜中间层的Ag已部分扩散进入第二SiO₂膜层内。

二、在神经仿生层上形成电极层

（1）关闭射频源，通过接口阀10泄压，打开磁控溅射设备腔体4，在Ag衬底形成有神经仿生层的第二SiO₂膜层上放置掩膜版，掩膜版上均匀密布有直径为90μm的圆形孔；将二氧化硅靶材替换为Ag靶材，清洗腔体；

（2）对腔体抽真空至2×10^-4Pa；腔体内通入流量为25sccm的Ar，调整接口阀10使腔体内的压强维持在1-6Pa，打开控制银靶材起辉的直流源，调整直流源功率为10W，使银靶材起辉，预溅射5min；之后正式溅射10min，在第二SiO₂膜层上形成Ag电极层，即制备了神经仿生器件。

以上所述的实施方式是本发明所保护的制备方法中的任意一种实施例，其只要在权利要求及说明书中所描述的工艺参数的范围内均可获得本发明所要保护的神经仿生器，且所制备的神经仿生器件与本实施例所制备的器件具有同样或类似的性能。

本发明所制造出来的器件具有电子突触功能，一般突触的功能，具体为活动时序依赖突触可塑性（Spike-Time-Depend Plasticity, STDP），涉及到突触前刺激和突触后刺激的共同作用。在电子突触器件中，器件的两端分别代表了突触前和突触后，两个极性的电脉冲分别施加在这两端作为突触前刺激和突触后刺激，以改变电压值作为不同的刺激，来改变电阻。

实施例3

对实施例2所制备的神经仿生器件施加电压进行扫描，其结果如图3所示。给实施例2所制备的神经仿生器件的Ag电极层上施加一个正电压，电流急剧增大至限流，器件处于低阻态，当在器件的Ag电极层上施加负相电压时，器件的电流急剧减小，电阻由低阻态变为高阻态。且当前电压变化总是以前一次电压值为基础增长。本发明所制备的神经仿生器件呈现出的阻变特性物理机制是导电细丝阻变机制，其原理是导电细丝的形成和断裂实现电阻高低的转换。当给实施例2所制备的神经仿生器件施加正向电压时，电场作用下的金属离子形成的导电通道使得电流急剧增大，器件处于低阻状态。施加负向电压后，高电流产生的焦耳热导致导电细丝断裂，使得电流急剧减小，器件又变为高阻态。图中显示，对神经仿生器件施加不同的电压，得到的I-V特性曲线基本相同，其阻值会随着施加电压变化而发生变化，并能够记住先前的状态，使电压呈现连续性变化。所制备器件的非线性性、记忆性和神经突触的原理有着很高的相似性。

在实施例2所制备的神经仿生器件上，通过将电子突触器件添加到简单电路中，分别测量源表电压值和标准电阻电压值，通过改变源表电压，将其值控制在-1V~0.5V之间，其结果如图4所示。图中当施加在源表的电压大于0 V时，逐渐增大源表的电压，通过神经仿生器件的电流也逐渐增大，且其电阻逐渐减小。当施加在源表的电压小于0V时，从-0.8V降至0V的过程中，通过神经仿生器件的电流逐渐减小，其电阻逐渐增大。充分说明脉冲信号大小的变化可引起器件电阻的变化，且电阻的变化是非线性的。这样，模拟神经突触时，突触对外界刺激的感知可很好的用电压的变化表示出来。

将实施例2所制备的神经仿生器件两端作为两个输入，代表了突触前刺激和突触后刺激，对神经仿生器件的活动时序依赖突触可塑性（STDP）进行检测，其结果如图5所示。在器件的两个输入端先后加入幅值大小相同的电脉冲，将脉冲时间差设置成10μs，以电导G的大小表示突触权重的大小，突触权重的变化量ΔW为电导相对变化量。图5中，当脉冲时间差Δt>0 时，其权重W减小，器件电阻增加；当Δt<0 时，权重增大，器件电阻减小。且脉冲时间差越小，权重变化量ΔW越大，脉冲时间差越大，权重变化量ΔW越小，当脉冲时间差大到一定程度时，权重变化量ΔW趋近于零。改变通过突触前后电压脉冲时间差控制电脉冲幅值大小，影响两者叠加的效果，控制电阻的变化，证明所制备的电子仿生器件具有STDP的功能，其可实现神经突触功能。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。