一种易失性与非易失性共存的忆阻器件及制备方法及备选制备方法与流程

本发明涉及类脑器件技术领域，尤其涉及一种易失性与非易失性共存的忆阻器件及制备方法及备选制备方法。

背景技术：

人脑以其并行处理方式、低功耗等特点，在处理大规模数据和图片识别等复杂问题上具有目前计算机系统无法比拟的优势。

由此应运而生的忆阻器，是旨在突破存算分离的冯诺依曼体系架构限制的一种新型的二端口非线性无源电子器件。忆阻器是阻值可随通过的电流量变化而变化的纳米级器件，其工作机制天然模拟生物神经突触，并可以实现从器件级到系统级的存算一体模式，即同时进行存储和计算，能够大大提高计算机处理复杂问题的速度，实现低功耗系统，是突触仿生的最佳选择。

易失性与非易失性是阻变器件中的两种重要行为，非易失性的器件能够根据历史操作而维持内部电阻状态，作为存储单元。而易失性的器件在撤去外部激励后会在很短的时间内回复到此前的状态，此前通常倾向于被用作选择器。与此同时，作为电子突触，stp和ltp的实现是基于易失性和非易失性开关特征的。因此，能在一个器件中实现易失性与非易失性的共存，不仅有助于提升阻变器件应用的灵活性，也是实现电子突触的必要要求。

然而，器件功耗仍然是制约电子突触应用于大规模类脑计算系统的阻碍。虽然与传统的cmos器件相比，阻变器件已经具有较大的功耗优势，工作在纳安级电流和低工作电压的器件对于低功耗系统的实现具有重要意义。

mxene（过渡金属碳化物），是一种新型的二维材料。该材料从ti3alc2中通过氢氟酸将al刻蚀而得到，类似于石墨烯，其具有层状结构，优异的导电性等性能，对于降低器件功耗具有重要意义，目前该材料在电子器件方面应用较少。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种易失性与非易失性共存的忆阻器件及制备方法及备选制备方法，在传统的mim结构中引入了新型二维材料mxene。该器件在小限流下表现出易失性行为，适合多种应用场景；而在大限流下表现出非易失性行为，具有良好的数据保持能力且在500μa限流下显示出多阻态的量子特性。具有模拟生物突触的基本功能，对于低功耗系统的实现具有重要意义；此外，制备方法简单高效、材料成本低、功耗低。

本发明提供一种易失性与非易失性共存的忆阻器件，所述忆阻器件设置在衬底上，所述忆阻器件从上之下依次为保护层、上导电电极、中间功能层和下导电电极，所述保护层和上导电电极的形状和尺寸一一匹配，所述中间功能层和下导电电极的形状和尺寸一一匹配，所述中间功能层包括介质层和敷设在介质层上方的mxene材料膜，所述上导电电极通过掩膜板的开孔溅射在mxene材料膜的顶部，所述下导电电极的顶部、底部分别与中间功能层、衬底相接触。

进一步改进在于：所述介质层为二氧化硅层，所述介质层的厚度为80nm。

进一步改进在于：所述保护层的材质为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的一种，所述保护层的厚度为80nm。

进一步改进在于：所述上导电电极的材质为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中不同于保护层1的一种，所述上导电电极的厚度为100nm。

进一步改进在于：所述下导电电极的材质为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的一种，所述下导电电极的厚度为90nm。

进一步改进在于：所述衬底的材质为硅衬底层。

本发明还提供一种易失性与非易失性共存的忆阻器件的制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：真空环境下，将经过清洗且紫外照射增强键合的衬底固定在溅射系统的靶枪上，在其上方安装第一块掩模版，选取下导电电极材料作为溅射源，通过磁控溅射仪沉积下导电电极，下导电电极均匀覆盖在衬底上表面，因采用crossbar阵列结构，此时需在下导电电极上方安装第二块掩模版；

步骤二：保持步骤一的真空环境，更换介质层溅射源，在下导电电极的上表面均匀溅射出介质层，再向介质层上方放上第三块掩模版；

步骤三：取mxene和去离子水按照1:200的质量比混合，利用超声分散搅拌5min-15min，制得mxene悬浊液；

步骤四：吸取步骤三中mxene悬浊液的上层浊清液，滴在步骤二的介质层上，通过甩胶机旋涂60s，使得介质层的上表面均匀覆盖一mxene材料膜，制得中间功能层；

步骤五：在步骤四制得的中间功能层上安装第四块掩模板，真空环境下，将安装好掩模板的中间功能层固定在溅射系统的靶枪上，选取上导电电极材料的溅射源，并溅射沉积得到上导电电极；

步骤六：保持步骤五的真空环境，更换保护层溅射源，在所述上导电电极的上表面均匀溅射出保护层，从而制备获得易失性与非易失性共存的忆阻器件。

进一步改进在于：所述步骤四中甩胶机的转速为500r/min。

本发明还提供一种易失性与非易失性共存的忆阻器件的备选制备方法，所述备选方法包括以下步骤：

步骤一：真空环境下，将硅衬底固定在溅射系统的靶枪上，在其上安装第一块掩模版，选取铂作为溅射源，通过磁控溅射仪沉积得到厚度为90nm的铂电极，铂电极均匀覆盖在硅衬底的上表面，此时在铂电极上方安装第二块掩模版；

步骤二：保持步骤一的真空环境，更换二氧化硅溅射源，在铂电极的上表面均匀溅射出厚度为80nm的二氧化硅介质层，再向介质层上方放上第三块掩模版；

步骤三：取mxene和去离子水按照1:200的质量比混合，利用超声分散搅拌10min，制得mxene悬浊液；

步骤四：吸取步骤三中mxene悬浊液的上层浊清液，滴在二氧化硅介质层上，通过甩胶机旋涂60s，甩胶机转速为500r/min，使得二氧化硅介质层的上表面均匀覆盖一mxene材料膜，从而制得中间功能层；

步骤五：在步骤四制得的中间功能层上安装第四块掩模板，真空环境下，将安装好掩模板的中间功能层固定在溅射系统的靶枪上，选取银为溅射源，并溅射沉积得到厚度为100nm的银电极；

步骤六：保持步骤五的真空环境，更换氮化钛溅射源，在所述上导电电极的上表面均匀溅射出80nm的氮化钛保护层，从而制备获得易失性与非易失性共存的忆阻器件。

本发明的有益效果：通过在其氧化物介质层上溅射镀上一层mxene膜构成中间功能层，mxene膜覆盖在二氧化硅层上表面，利于增强导电细丝的形成，使得忆阻器件获得更好的导电性和稳定性。经测试表明，具备以下基本特征：在小限流下表现出易失性行为，在大限流下表现出非易失性行为。该器件具有模拟生物突触的基本功能，对于低功耗系统的实现具有重要意义；此外，制备方法简单高效、材料成本低、功耗低。

附图说明

图1是本发明的忆阻器件的结构示意图。

图2是本发明的过渡金属碳化物mxene在电子显微镜下的扫描图像。

图3是本发明的忆阻器件在镜像显微镜下的阵列图。

图4是本发明的忆阻器件1na限流下的i-v曲线图。

图5是本发明的忆阻器件100na限流下的i-v曲线图。

图6是本发明的忆阻器件500na限流下的i-v曲线图。

图7是本发明的忆阻器件1ma限流下的i-v曲线图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

如图1-7所示，本实施例提供一种易失性与非易失性共存的忆阻器件，所述忆阻器件设置在衬底6上，所述忆阻器件从上之下依次为保护层1、上导电电极2、中间功能层3和下导电电极5，所述保护层1和上导电电极2的形状和尺寸一一匹配，所述中间功能层3和下导电电极5的形状和尺寸一一匹配，所述中间功能层3包括介质层4和敷设在介质层4上方的mxene材料膜，所述上导电电极2通过掩膜板的开孔溅射在mxene材料膜的顶部，所述下导电电极5的顶部、底部分别与中间功能层3、衬底6相接触。上导电电极2和下导电电极5均通过物理气相沉积（pvd）方法制得。且上导电电极2为阳极，下导电电极5为阴极。

所述介质层4为二氧化硅层，所述介质层4的厚度为80nm。

所述保护层1的材质为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的一种，所述保护层1的厚度为80nm。

所述上导电电极2的材质为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中不同于保护层1的一种，所述上导电电极2的厚度为100nm。

所述下导电电极5的材质为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的一种，所述下导电电极5的厚度为90nm。

所述衬底6的材质为硅衬底层。

所述中间功能层3和介质层4用于实现高低阻态之间的转换，所述中间功能层3包括介质层4，以及均匀、完全覆盖在该介质层4上方的mxene材料膜，所述介质层为二氧化硅层，厚度为80nm，同样通过pvd方法制得。

本实施例还提供一种易失性与非易失性共存的忆阻器件的制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：真空环境下，将经过清洗且紫外照射增强键合的衬底固定在溅射系统的靶枪上，在其上方安装第一块掩模版，选取下导电电极材料作为溅射源，通过磁控溅射仪沉积下导电电极，下导电电极均匀覆盖在衬底上表面，因采用crossbar阵列结构，此时需在下导电电极上方安装第二块掩模版；

步骤二：保持步骤一的真空环境，更换介质层溅射源，在下导电电极的上表面均匀溅射出介质层，再向介质层上方放上第三块掩模版；

步骤三：取mxene和去离子水按照1:200的质量比混合，利用超声分散搅拌5min-15min，制得mxene悬浊液；

步骤四：吸取步骤三中mxene悬浊液的上层浊清液，滴在步骤二的介质层上，通过甩胶机旋涂60s，使得介质层的上表面均匀覆盖一mxene材料膜，制得中间功能层；

步骤五：在步骤四制得的中间功能层上安装第四块掩模板，真空环境下，将安装好掩模板的中间功能层固定在溅射系统的靶枪上，选取上导电电极材料的溅射源，并溅射沉积得到上导电电极；

步骤六：保持步骤五的真空环境，更换保护层溅射源，在所述上导电电极的上表面均匀溅射出保护层，从而制备获得易失性与非易失性共存的忆阻器件。

所述步骤四中甩胶机的转速为500r/min。

本实施例还提供一种易失性与非易失性共存的忆阻器件的备选制备方法，所述备选方法包括以下步骤：

步骤一：真空环境下，将硅衬底固定在溅射系统的靶枪上，在其上安装第一块掩模版，选取铂作为溅射源，通过磁控溅射仪沉积得到厚度为90nm的铂电极，铂电极均匀覆盖在硅衬底的上表面，此时在铂电极上方安装第二块掩模版；

步骤二：保持步骤一的真空环境，更换二氧化硅溅射源，在铂电极的上表面均匀溅射出厚度为80nm的二氧化硅介质层，再向介质层上方放上第三块掩模版；

步骤三：取mxene和去离子水按照1:200的质量比混合，利用超声分散搅拌10min，制得mxene悬浊液；

步骤四：吸取步骤三中mxene悬浊液的上层浊清液，滴在二氧化硅介质层上，通过甩胶机旋涂60s，甩胶机转速为500r/min，使得二氧化硅介质层的上表面均匀覆盖一mxene材料膜，从而制得中间功能层；

步骤五：在步骤四制得的中间功能层上安装第四块掩模板，真空环境下，将安装好掩模板的中间功能层固定在溅射系统的靶枪上，选取银为溅射源，并溅射沉积得到厚度为100nm的银电极；

步骤六：保持步骤五的真空环境，更换氮化钛溅射源，在所述上导电电极的上表面均匀溅射出80nm的氮化钛保护层，从而制备获得易失性与非易失性共存的忆阻器件。

图3是本实施例忆阻器件在金相显微镜下的阵列图。在图3中交叉阵列节点处圈红的部分为单个忆阻器，可以看出的是，本实施例阵列忆阻器件交叉阵列结构明显，具有实现高密度存储电路的潜质。

图4是本实施例忆阻器件1na限流下的i-v曲线图，表示为该忆阻器件能够工作在1na限流下，在小的顺应电流下表现出易失性。通过增大顺应电流至100na，也表现出类似的易失性行为。

图5是本实施例忆阻器件100na限流下的i-v曲线图，表示为该忆阻器件在小的顺应电流下表现出易失性。测试过程中，底电极保持接地状态，顶电极接双向扫描的刺激信号，初始电阻非常大，处于关断状态，被称为hrs。当施加的扫描电压达到约0.16v时，电流突然急剧增大，器件导通，转变为lrs。然而该lrs在扫描电压逐渐变小的过程中具有不稳定性，当扫描电压低于0.04v时，器件的电阻开始增大并在约0.02v处完全回复到hrs。

图6是本实施例忆阻器件500ua限流下的i-v曲线图，显示出器件在大限流下表现出非易失性。在该限流下，vset和vreset也约等于0.2v，也具有较好的均一性。

图7是本实施例忆阻器件1ma限流下的i-v曲线图，表示该忆阻器具有类似于500ua限流的双极非易失性。如图7中红色曲线所示，1ma限流下，器件表现出双极的非易失性。对器件施加正向扫描电压，可以看到扫描至约0.2v左右（vset），电流快速增大达到1ma限流，器件转变为开态，并能够保持低电阻状态lrs。为使器件恢复到高阻态，对器件施加负向扫描电压，器件在约-0.2v（vreset）左右电阻开始变大直至恢复到高阻态。图中灰色曲线为器件在1ma限流下的100个连续i-v循环曲线，器件表现出较高的可重复性。此外，器件的vset和vreset的绝对值均在0.2v左右，低于其他低功耗器件。

综上所述，本实施例提供的易失性与非易失性共存的忆阻器件及其制备方法，主要通过在其氧化物介质层上溅射镀上一层mxene膜构成中间功能层，mxene膜覆盖在二氧化硅层上表面，利于增强导电细丝的形成，使得忆阻器件获得更好的导电性和稳定性。经测试表明，上述新型结构忆阻器件具备以下基本特征：在小限流下表现出易失性行为，在大限流下表现出非易失性行为。该器件具有模拟生物突触的基本功能，对于低功耗系统的实现具有重要意义；此外，本实施例提供的忆阻器件制备方法简单高效、材料成本低、功耗低。

应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的数据或步骤。