一种基于PZT的忆阻器件、其制备方法及其应用与流程

本发明涉及一种忆阻器件，特别涉及一种忆阻器件制备方法，属于人工智能、微电子领域。

背景技术：

在大数据时代，智能设备的运算速度成为性能提升的关键。为此，模仿人脑结构的类脑计算成为当下的一个研究热点。实现类脑计算需要人工神经网络，即用一系列电学器件来模拟人脑内的突触、神经元。在此之前，学术界已有普通晶体管、负电容晶体管模拟人脑突触的研究，在忆阻器被发现后，研究表明，忆阻器具有可塑性、模拟行为、非易失性、纳米级尺寸和低功耗等的独特性质，兼具密度高、尺寸小、功耗低、非易失性等特点，成为构造电子人工突触的有力候选器件。用忆阻器实现人工神经网络也成为当下研究热点。

忆阻器是表示磁通与电荷关系的二端口非线性无源电子器件，也是新型模拟人脑突触的电学器件。它基于电阻转变效应，能够记忆流经的电荷量，具有结构简单、易于集成、擦写速度快、功耗低、可与cmos(互补金属氧化物半导体)兼容组成hybrid混合单元等优势。

忆阻器的研究主要由所采用的材料体系划分，目前最为成熟的是基于氧化物材料的体系，其工作机理主要依赖离子、氧空位在电场作用下迁移和聚集。显然，基于离子、氧空位迁移的过程比基于电子迁移的速度慢，且受到热效应的影响，使得阻态稳定性较差，随机性较大，限制了忆阻器在模拟神经元领域的应用和发展。

pzt是一种应用广泛的铁电材料，具有电阻态稳定的优良特性，因而成为新的研究热门。将pzt应用于忆阻器中，可制备阻态稳定的高性能忆阻器件，以期实现人工突触与人工神经网络。pzt（pbzr0.52ti0.48o3），化学成分为pbzro3和pbtio3的固溶体，具有钙钛矿型结构。研究发现pzt具有优良的介电性能，展现出良好的记忆特性和开关特性，阻态也更稳定，且往往具有较低的工作电压，可以大幅降低器件功耗。

突触的可塑性指突触功能或形态可发生改变的特性，具体表现为突触的连接强度会随着不同的刺激加强或减弱。生物学研究表明，突触可塑性为学习和记忆的基础，仿生突触可塑性是实现人工神经网络的关键一步。

突触的可塑性分为长时程可塑性与短时程可塑性。短时程可塑性会对ltp（长时程增强）或ltd（长时程抑制）等更长持续时程的突触可塑性形式产生影响，因此重点仿生短时程可塑性即可。短时程可塑性有较多表现形式，双脉冲易化（ppf）、兴奋性后突触电流（epsc）特性是其显著特性。持续时间在数十到几百毫秒的突触权值的增加，称为易化。双脉冲易化特性的生物学解释是，在第一个刺激作用于突触期间，ca²⁺通过ca²⁺通道进入突触前端。虽然刺激结束后ca²⁺通道关闭，但残留的ca²⁺会使突触前端ca²⁺浓度升高。当第二个刺激作用时，由于突触前端ca²⁺浓度较第一次高，提高了神经递质的释放概率，因此突触后端反应得以增强。基于生物学研究可知，两个刺激时间间隔越短，双脉冲易化效应越明显，突触权值增加越显著。epsc是兴奋性神经递质作用于突触后膜而产生的电位。神经冲动传入神经末梢时，兴奋性神经递质与突触后膜的受体结合，提高了膜对离子的通透性。这促使膜外的钠离子迅速内流，造成膜内钠离子急剧增加，膜内电位高于膜外，引起突触后膜的去极化．膜电位降低。是突触后膜产生兴奋的表现

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于pzt的忆阻器件、其制备方法及其用途，该忆阻器件具有较好的导电性和稳定性，阻态更稳定，可用于多值存储，本发明的制备方法简便、高效，成本低，同时可用于模拟人脑突触，实现多值存储和类脑神经元计算系统的建立。

本发明的目的是这样实现的：一种基于pzt的忆阻器件，设置在衬底上，所述忆阻器件包括从上至下依次排列的顶电极、阻变层和底电极，且所述阻变层、底电极与所述衬底的形状、尺寸一一匹配；所述阻变层为pzt层，所述顶电极为活性金属层，所述底电极为惰性金属层；所述顶电极通过掩膜板的开孔溅射在所述阻变层的顶部，所述底电极的顶部、底部分别与所述介质层、衬底相触接。

作为本发明的进一步限定，所述顶电极的厚度为100±5nm，其材料选用铜、银、中的一种。

作为本发明的进一步限定，所述阻变层的厚度为90±5nm。

作为本发明的进一步限定，所述底电极的厚度为90±5nm，其材料选用铝、钼、铌、、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的一种。

作为本发明的进一步限定，所述衬底为硅衬底。

一种基于pzt的忆阻器件的制备方法，包括以下步骤：

s1）底电极溅射：真空环境下，将衬底固定在溅射系统的靶枪上，选取底电极材料作为溅射源，通过磁控溅射仪沉积底电极，底电极均匀、完全覆盖在衬底上表面；

s2）阻变层溅射：保持步骤s1的真空环境，更换阻变层溅射源，在所述底电极的上表面均匀、完全溅射出阻变层；

s3）顶电极溅射：将步骤s2制得的阻变层固定在溅射靶枪上，并在阻变层顶部安装掩模板，选取顶电极材料的溅射源，并溅射沉积得到顶电极，从而制备获得基于pzt的忆阻器件。

一种基于pzt的忆阻器件的应用，所述忆阻器件可以用于多值存储并且能够模拟人脑突触的功能，从而构建类脑神经元计算系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明主要通过在底电极之上覆盖一层pzt膜构成阻变层，利于导电细丝的生长，根据阻变器件的导电细丝模型，pzt的极化提高了阻变层及整个忆阻器件的导电性和稳定性，使得忆阻器件阻态更稳定且可用于多值存储，具有广阔的应用前景；此外，本发明提供的忆阻器件的制备方法简便、高效，成本低，可广泛用于工业生产；同时本发明可用于对人脑突触的模拟中，从而构建类脑神经元计算系统。

附图说明

图1是本发明忆阻器件的结构示意图。

图2是本发明忆阻器件在-3v~3.5v刺激下，10^-4a限流时的典型i-v曲线图。

图3是本发明忆阻器件在-4v~4v刺激下，10^-4a限流时10个cycles中的i-v曲线图。

图4是本发明忆阻器件的典型阻态保持图。

图5是本发明同一忆阻器件不同正向电压刺激下电流不断打开的过程图。

图6是本发明同一忆阻器件不同反向电压刺激下电流不断收束的过程图。

图7是本发明忆阻器件在35个连续正向脉冲下，阻值连续变化图。

图8是本发明忆阻器在一个电压的脉冲下触发的一个典型的epsc曲线。

图9是本发明忆阻器件在双脉冲刺激下产生的响应电流图。

图10是本发明忆阻器件在不同脉冲姐呢的双脉冲刺激下产生的响应电流比值ppf拟合曲线图图。

图11时本发明忆阻器件机理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示的一种基于pzt的忆阻器件，设置在衬底上，衬底为硅衬底层，该忆阻器件包括从上至下依次触接排列的顶电极（阳极）、阻变层、底电极（阴极），其中，顶电极材料为铜，阻变层材料为pzt，底电极材料为铂，顶电极与底电极用于与外部电源进行电连接，本发明的顶电极通过pvd（物理气相沉积）方法制得。阻变层、底电极、衬底三者的形状和尺寸一一匹配、对应相同。阻变层用于实现阻态之间的转换，是指pzt层，pzt层的厚度为90nm，同样通过pvd方法制得；顶电极的厚度为100nm，顶电极通过掩膜板的开孔溅射在阻变层的顶部；底电极的厚度为90nm，其顶部与阻变层触接。

一种基于pzt的忆阻器件制备方法，包括以下步骤：

s1）底电极溅射：真空环境下，将衬底固定在溅射系统的靶枪上，选取底电极材料作为溅射源，通过磁控溅射仪沉积底电极，底电极均匀、完全覆盖在衬底上表面；

s2）阻变层溅射：保持步骤s1的真空环境，更换阻变层溅射源，在所述底电极的上表面均匀、完全溅射出阻变层；

s3）顶电极溅射：将步骤s2制得的阻变层固定在溅射靶枪上，并在阻变层顶部安装掩模板，选取顶电极材料的溅射源，并溅射沉积得到顶电极，从而制备获得基于pzt的忆阻器件。

下面结合具体测试方法对本发明可用于模拟人脑突触的可行性做出说明。

通过对不同忆阻器件i-v曲线图和多阻态图的对比分析，并与传统的基于氧化物材料的忆阻器件相对比，具体说明如下：

对忆阻器件施加直流电压时，将顶电极接电源正极同时将底电极接地并对其施加电压；当施加正电压时，电压从0v扫到设定的正电压再从设定的正电压扫回到0v，在这个过程中，忆阻器件的介质层受电压激励而发生电阻转变效应，忆阻器件开启，由高阻态转变为低阻态，即set过程，此时保存下的电压电流数据可测得set过程对应的i-v曲线；reset过程中将电压从0v扫到设定的负电压再从设定负电压扫到0v，次过程中忆阻器件受反向电压刺激而从低阻态转变回高阻态，同样可测得对应的i-v曲线，忆阻器件的i-v曲线形态越一致，表明其稳定性越佳。

图2是本发明忆阻器件在-3v~3.5v刺激下10^-4a限流时的典型i-v曲线图，将set过程中的正向扫描-停止电压设置为0v至3.5v，步幅为0.2v。reset过程中的反向扫描-挺扫描停止电压设置为0v至-3v，步幅为0.2v。正向反向均为双向扫描，由图中可知，忆阻器器件呈现典型的阻变切换特性特性，开关比达到10⁵。

图3是本发明忆阻器件在-4v~4v的刺激和10^-4a限流时的i-v曲线图。将set过程中的正向扫描-停止电压设置为0v至4v，步幅为0.2v，reset过程中的反向扫描-挺扫描停止电压设置为0v至-4v，步幅为0.2v，正向反向均为双向扫描，并将上述扫描过程循环10次，由图中可知，本发明的忆阻器件表现出高度的稳定性，每一个循环的i-v曲线都大致相同。

图4是本发明忆阻器件的典型阻态图，由图中可知，本发明忆阻器件表现出较稳定的直流特性，本发明忆阻器件低阻态时的阻值大约在10²ω左右，而在高阻态时大约在10⁷ω左右，开关比大概在10⁵倍左右；同时也表明了本发明忆阻器件在该限流下的耐久性较好，开关次数足够大，可以稳定存储数据，并且10⁵倍的开关比也能较好地区分高低阻态，本发明忆阻器件存储的准确性较佳。

结合图2、图3、图4可知，本发明的忆阻器件具有典型忆阻器件特征，⁵且具有良好稳定性和开关比，并且能够用于多值存储。

图5本发明同一忆阻器件不同正向电压刺激下电流不断打开的过程图。将set过程中的正向扫描-停止电压设置为1v至1.8v，步幅为0.2v。由图中可知，本发明的忆阻器件可以在不同的正向步进电压刺激下，电流不断打开，电阻不断记忆，表现出忆阻器件经典正向analogy特性。

图6本发明同一忆阻器件不同反向电压刺激下电流不断收束的过程图。由图中可知，本发明的忆阻器件可以在不同的反向步进电压刺激下，电流不断收束，电阻能够不断记忆表现出忆阻器件经典负向analogy特性。

结合图5图6可知，这些结果证实了该器件在正电压和负电压下均具有出色的渐进开关特性。这些结果还为该pzt忆阻器在电压脉冲刺激下模仿突触行为具有很大潜力。

图7是本发明忆阻器件在35个连续正向脉冲下，对6v电压的高低阻值变化图；由图中可知，本发明忆阻器阻值随脉冲数变化连续变化，未发生突变，表现出该器件能够模拟突触的短时可塑性(stp)。

图8是为了模拟兴奋性突触后电流（epsc）对突触前脉冲的响应，已将单个脉冲电压施加到该pzt忆阻器。如图所示，在脉冲电压的刺激下，突触后电流突然增加，并且当去除脉冲时，突触后电流逐渐衰减。导电的变化也是由pzt膜中氧空位的迁移引起的。但是,当电流最终达到饱和点时，它也比初始值大一点，这表明生成的氧空位并未完全消失。因为epsc可以描述突触权重，所以忆阻器的电导率的增加或降低表示突触权重的增强或降低。

图9是在双脉冲刺激下产生的响应电流图。如图可知，在两个间隔极短的电压脉冲刺激下，相比于第一个脉冲产生的电流响应，第二个脉冲所产生的电流响应明显增强约一倍，表现出良好的双脉冲增强特性。

图10是本忆阻器件的在不同脉冲间隔的双脉冲刺激下产生的相应权重比值ppf拟合图；如图可知，当两个脉冲发生时间极短时，双脉冲特性表现明显，第二个脉冲产生的电流响应比第一个脉冲产生的电流相应增强约一倍。随着两个脉冲发生时间间隔延长，电流响应增强程度逐渐减小，与生物细胞突触双脉冲易化现象的特性相吻合。

由图7-10可知，本忆阻器件有明显的生物神经元突触特性，可以较好的模拟模拟人脑的一些机能，具有应用于类脑计算机系统的潜质。

下面对本发明可用于人脑突触的机理做出说明。

由于pzt的功函数wpzt=4.7ev比cu（wcu=4.65ev）大，因此当v=0的时候如图11（b）所示，cu和pzt的界面处有初始铁电势垒φ0，器件的初始状态，pzt层有少量的氧空穴；当器件被施加正向电压如图11（a）所示，铜被氧化成氧化铜，更多的氧空穴形成；与此同时，由于pzt本身的极化，让交界面产生了束缚电子，形成了内建电场；铁电势垒因此提升为φ1，就引导了氧空穴导电细丝的生长，让电阻由高阻态变成低阻态。当电压小于0时，与之相反，极化方向发生偏转，与此同时，内建电场发生偏转，铁电势垒的改变，抑制了氧空穴导电细丝的生长的，从而器件又从低阻态变成高阻态。

综上所述，本发明提供的一种可以模拟人脑突触的铁磁忆阻器，主要通过pzt膜构成阻变层，和普通阻变层相比利于导电细丝的生长，根据阻变器件的导电细丝模型，pzt膜提高了阻变层的稳定性。电压脉冲刺激下使得忆阻器件的电阻值连续可变且变化受控可调，说明器件可以实现可实现突触功能的仿生。此外整个忆阻器件的导电性、稳定性、analogy特性和生物学特性，使得忆阻器件性能更加优秀且可用于多值存储、类脑系统的构建，具有广阔的应用前景。此外，本发明提供的一种可以模拟人脑突触的铁磁忆阻器制备方法简便、高效，成本低，可广泛用于工业生产。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。