一种光控忆阻器及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种光控忆阻器及其制备方法，属于忆阻器技术领域。


背景技术：

2.忆阻器是除电阻器、电容器、电感器之外的第四种基本无源电子器件。忆阻器通常由夹在两个电极之间的绝缘体或半导体薄膜组成，它的电导可以通过施加电信号进行调控，实现连续的增加或减小。忆阻器可以保持变化后的电导这一独特的性能使其在新型存算一体架构领域或神经形态计算中表现出了广阔的应用前景。
3.目前，忆阻器阵列都是通过电脉冲信号来控制忆阻器的开关。具体包括两种控制方式：一种是通过电脉冲信号的跨度调节交叉阵列点上忆阻器的电量；另一种是通过调节电脉冲信号的幅度来调节交叉阵列点上忆阻器的电压，以实现忆阻器的开、关两个状态的转变。在实际工作中，这些以电控方式控制开、关状态的忆阻器会存在光信号的传输问题。按照原有的电控方式，还需要将光信号先转变为电信号，这就需要增加额外的器件。增加的器件会占用存储器空间，减小忆阻器的叠层密度、增大忆阻器的功耗。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种光控忆阻器及其制备方法，能够增大现有忆阻器的叠层密度并减小其功耗。
5.一方面，本发明提供了一种光控忆阻器，包括依次堆叠设置的第一光源层、忆阻器阵列层和第二光源层；
6.所述忆阻器阵列层包括呈阵列分布的多个忆阻器器件；所述第一光源层包括呈阵列分布的多个第一发光器件；所述第二光源层包括呈阵列分布的多个第二发光器件；所述忆阻器器件、所述第一发光器件和所述第二发光器件均一一对应；
7.所述第一发光器件用于发射第一波段光；所述第一波段光用于控制对应的所述忆阻器器件开启；
8.所述第二发光器件用于发射第二波段光；所述第二波段光用于控制对应的所述忆阻器器件关闭。
9.优选的，所述第一光源层和所述第二光源层均为光源层；
10.所述光控忆阻器还包括间隔且堆叠设置在所述光源层远离所述忆阻器阵列层一侧的忆阻器阵列层与光源层；
11.且每一所述光控忆阻器均设置在所述第一光源层与所述第二光源层之间。
12.优选的，所述第一光源层还包括第一电极单元和第二电极单元；所述第二光源层还包括第三电极单元和第四电极单元；
13.所述第一电极单元位于所述第一发光器件远离所述忆阻器器件的一侧；所述第二电极单元位于所述第一发光器件与所述忆阻器器件之间；
14.所述第三电极单元位于所述第二发光器件与所述忆阻器器件之间；所述第四电极
单元位于所述第二发光器件远离所述忆阻器器件的一侧。
15.优选的，所述光控忆阻器还包括多个第一凸透镜和多个第二凸透镜；
16.所述第一凸透镜嵌设在所述第二电极单元内部，且每一所述第一凸透镜均设置在与其对应的忆阻器器件与第一发光器件之间；
17.所述第二凸透镜嵌设在所述第三电极单元内部，且每一所述第二凸透镜均设置在与其对应的忆阻器器件与第二发光器件之间。
18.优选的，所述第一发光器件和/或所述第二发光器件为发光二极管。
19.优选的，所述第一波段光的波长为200～250nm；
20.所述第二波段光的波长为250～500nm。
21.优选的，所述光控忆阻器还包括衬底，所述衬底设置在所述忆阻器阵列层远离所述第一电源层或所述第二电源层一侧；
22.所述衬底为二氧化硅/硅衬底。
23.优选的，所述忆阻器器件的材料包括氧化物固溶体。
24.另一方面，本发明还提供了一种用于制备上述任一项中所述的光控忆阻器的制备方法，所述制备方法包括：
25.在衬底的一侧制备呈阵列分布的多个所述第一发光器件，以形成所述第一光源层；
26.在所述第一光源层远离所述衬底的一侧设置呈阵列分布的多个所述忆阻器器件，以形成所述忆阻器阵列层；
27.在所述忆阻器阵列层远离所述第一光源层的一侧设置呈阵列分布的多个所述第二发光器件，以形成所述第二光源层。
28.本发明能产生的有益效果包括：
29.与现有的电控忆阻器相比，本发明的光控忆阻器直接通过第一波段光控制忆阻器器件的开启，通过第二波段光控制忆阻器器件的关闭，无需将光信号转换为电信号再控制忆阻器器件的工作，从而无需设置额外的光电转换器件，节约了忆阻器的制造成本、降低了功耗；而且本发明的光控忆阻器的第一光源层和第二光源层均为与忆阻器阵列层结构匹配的阵列光源，以点对点的方式实现了对单个忆阻器器件开关控制的精确控制，从而增大了忆阻器阵列层的控制精度，还增大了光控忆阻器的密度；由于第一波段光和第二波段光的光斑可以很小，且不受电极工艺的限制，因此光控忆阻器的密度更高，可以实现高密度的存储，从而节约大量的空间用来制备高密度的存储器件。
30.本发明的光控忆阻器上可以间隔且堆叠设置多个忆阻器阵列层与光源层，能够实现多层的光控忆阻器，从而真正实现片上集成，进一步提高了光控忆阻器的存储密度。
31.本发明的光控忆阻器的忆阻器阵列层，其两侧的电极单元同时又是第一光源层和第二光源层共用的电极单元，进一步简化了光控忆阻器的结构，减小了光控忆阻器的体积。对于多层的光控忆阻器，除了最顶层和最底层的电极单元外，其余电极单元均可以共用，这样能够节省大量空间，便于忆阻器的高密度存储和片上集成。
32.本发明的光控忆阻器的忆阻器阵列层，其两侧电极单元内嵌设的凸透镜可以使第一发光器件或第二发光器件发出的光有效地汇聚在其对应的忆阻器器件上，减少对近邻的忆阻器器件的干扰；另外，包覆凸透镜的电极，可以提高忆阻器器件材料内的光功率密度，
从而提高忆阻器器件开启及关闭控制的准确率，提高单个忆阻器器件的控制精度，从而提高忆阻器阵列层的控制精度。
33.由于电子的传输速度是105m/s，而光子的传输速度是108m/s，光控速度是电控的1000倍，因此，本发明的光控忆阻器通过第一波段光和第二波段光能够更快速的控制忆阻器器件的开启和关闭。
附图说明
34.图1为本发明实施例提供的一种光控忆阻器的立体结构示意图；
35.图2为本发明实施例提供的一种光控忆阻器的侧视图；
36.图3为本发明实施例提供的一种光控忆阻器的俯视图；
37.图4为本发明实施例提供的一种光控忆阻器的凸透镜设置位置示意图；
38.图5为本发明实施例提供的光控忆阻器的制备方法的方法流程图。
39.部件和附图标记列表：
40.1、忆阻器器件；2、第一发光器件；3、第二发光器件；4、第一电极单元；5、第二电极单元；6、第三电极单元；7、第四电极单元；8、衬底；9、第一凸透镜；10、第二凸透镜。
具体实施方式
41.下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
42.一方面，本发明实施例提供了一种光控忆阻器，如图1-图3所示，光控忆阻器包括依次堆叠设置的第一光源层、忆阻器阵列层和第二光源层，其中第一光源层与第二光源层的位置可以互换。
43.忆阻器阵列层包括呈阵列分布的多个忆阻器器件1；第一光源层包括呈阵列分布的多个第一发光器件2；第二光源层包括呈阵列分布的多个第二发光器件3；且忆阻器器件1、第一发光器件2和第二发光器件3均一一对应。
44.其中，第一发光器件2用于发射第一波段光；第一波段光用于控制对应的忆阻器器件1开启。第二发光器件3用于发射第二波段光；第二波段光用于控制对应的忆阻器器件1关闭。
45.具体的，第一波段光的波长为200～250nm；第二波段光的波长为250～500nm。
46.实际应用中，第一发光器件2和第二发光器件3都可以为发光二极管，且发光二极管的开关均由电压控制。
47.本实施例中，忆阻器器件1的材料包括氧化物固溶体a
xby
oz。其中，o为氧元素，a为正三价的铝元素al
+3
，其氧化物al2o3为宽带隙氧化物材料，x，y，z可以是化学计量比，也可以是非化学计量比。
48.本实施例中a
xby
oz分为三类。第一类中b为正二价阳离子，如：ba
+2
、mg
+2
、ca
+2
、zn
+2
或cu
+2
。a
xby
oz可以为al
x
znyoz、al
x
bayoz、al
x
cuyoz、al
x
cayoz、al
x
mnyoz、al
x
mgyoz中的一种。
49.第二类中b为正一价阳离子，如ag
+1
或cu
+1
。a
xby
oz可以为al
x
cuyoz或al
x
agyoz。其利用x，y，z的不同配比形成施主或受主缺陷。
50.第三类中，b为正四价过渡金属阳离子，如：ti
+4
，或正四价的稀土阳离子，如：ce
+4
。通过a、b和o的不同配比形成的氧化物固溶体可以为al
x
tiyoz、al
x
tiyoz:gd、al
x
ceyoz、
al
x
ceyoz:gd中的一种。
51.在制备本实施例的忆阻器器件1时，可以通过控制退火时间、气氛和温度等来调节缺陷浓度、氧离子浓度和薄膜电阻。本实施例中的忆阻器器件1的氧离子浓度更容易控制，器件的重复性更好，使得忆阻器器件1的高阻态和低阻态分布的一致性等性能更加稳定。
52.优选的，忆阻器器件1的材料包括稀土氧化物固溶体al
xmy
oz，所述稀土氧化物为myoz和myoz:c中的任一种或两种的组合；其中m为+4价的稀土阳离子，c为+3价的稀土阳离子。
53.当稀土氧化物为ceoz时，利用ceoz自身的本征缺陷形成的氧空位来实现忆阻器器件1的忆阻性能。得到的稀土氧化物固溶体为al
x
ceyoz，通过x，y，z的组分调节氧空位浓度以及禁带宽度，从而实现对忆阻器器件1的性能调控。这种忆阻器器件1利用了电极和稀土氧化物的界面结构以及内部的缺陷结构，具有结构简单、易于制备的优点。
54.氧化鈰是立方萤石结构，具有天然的氧离子通道，具有氧的存储能力是天然的氧离子存储池。使用该材料制备的忆阻器器件1，如：al
x
ceyoz，具有对紫外光敏感、响应速度快的优点。
55.进一步的，第一光源层还包括第一电极单元4和第二电极单元5；第二光源层还包括第三电极单元6和第四电极单元7。
56.第一电极单元4位于第一发光器件2远离忆阻器器件1的一侧；第二电极单元5位于第一发光器件2与忆阻器器件1之间；第一电极单元4和第二电极单元5用于向第一发光器件2提供工作电压。
57.第三电极单元6位于第二发光器件3与忆阻器器件1之间；第四电极单元7位于第二发光器件3远离忆阻器器件1的一侧；第三电极单元6和第四电极单元7用于向第二发光器件3提供工作电压。第二电极单元5和第三电极单元6还用于向忆阻器器件1提供读写电压。
58.在实际应用中，将第一电极单元4与电源正极接通，第二电极单元5接地，第三电极单元6悬空，第四电极单元7与电源正极断开，以控制第一发光器件2发光。第二发光器件3关闭，通过第一发光器件2发射的第一波段光可以控制忆阻器器件1开启，使忆阻器器件1处于低阻态。
59.将第一电极单元4与正极断开，此时第四电极单元7与电源正极断开，以控制发光器件和发光器件均闭合。第二电极单元5与第三电极单元6的其中一个与电源正极接通，另一个接地，此时忆阻器器件1工作处于低阻态，即对忆阻器器件1进行电阻读取。
60.将第一电极单元4与电源正极断开，第二电极单元5悬空，第三电极单元6接地，第四电极单元7与电源正极接通，以控制第一发光器件2关闭，第二发光器件3发光，通过第二发光器件3发射的第二波段光可以控制忆阻器器件1关闭，使忆阻器器件1处于高阻态。
61.然后将第四电极单元7与正极断开，发光器件闭合。此时，发光器件也处于闭合，忆阻器器件1保持低电导(即高阻)状态。第二电极单元5与第三电极单元6的其中一个与电源正极接通，另一个接地，此时忆阻器件处于高阻态，即对忆阻器器件1进行读取。
62.在实际应用中，第一电极单元4、第二电极单元5、第三电极单元6和第四电极单元7可以为薄的金电极或铂电极，光控忆阻器通过薄的金属电极透光；各个电极单元可以由呈矩阵分布的多个块电极组成，也可以由一行或一列发光器件对应同一电极的多个条状电极组成；当各个电极单元由多个条状电极组成时，相邻层电极单元中的条状电极的延伸方向
相互垂直。本实施例中，金属电极选用金电极。
63.具体的，第一光源层为au电极/n-algan/p-algan/au电极结构，用于发射200-250nm波长的紫外光，通过调节al的原子百分比，实现发出不同波长的紫外光发光二极管。使得忆阻器器件1在200-250nm波长的光的照射下电导发生改变，当led光停止照射后，忆阻器器件1的电导仍能稳定在一个数值，即满足忆阻器器件1电导的保持特性，通过200-250nm波段led光的照射，使对应的忆阻器器件1变为高电导状态(即开启状态)。
64.第二光源层为au电极/p-in
x
alygan/n-in
x
alygan/au电极结构，其中0≤x≤1,0≤y≤1，用于发射250～500nm波长的紫外光，通过调节x、y的大小来调节发光二极管发出的光的波长。使得忆阻器器件1在250～500nm波长的光的照射下由原本的高电导状态(即开启状态)转换为低电导状态(即关闭状态)，从而实现忆阻器器件1由开启状态到关闭状态的改变，且忆阻器器件1的关闭状态在250-500nm光关闭后可以保持。
65.当选用al2o3和稀土氧化物固溶体制备忆阻器器件1时，忆阻器阵列层为au电极/al
xmy
oz/au电极结构或au电极/al
xmy
oz:c/au电极结构；其中moz为稀土氧化物，如：氧化鈰、c为三价稀土元素，如：gd等。通过调整x、y、z以及掺杂元素c的组分调节忆阻器器件1的电导。
66.本实施例中，忆阻器器件1选用al
x
ceyoz材料，通过调节x、y、z的组分来调节al、ce、o元素的百分比形成稀土氧化物固溶体，一方面可以通过调节al、ce、o元素的原子百分比浓度来控制氧空位的浓度，从而实现对忆阻器性能的调控。另一方面通过调节ce和al元素的百分比含量调节al
x
ceyoz的带隙宽度，优化后使其符合开光光控的激发波段。
67.因为ceo2的带隙为3.11-3.85ev，al2o3的带隙是5.8-6.2ev，所以本发明采用200-250nm波段光控制alceo材料的忆阻器器件1开启，采用250-500nm波段光控制alceo材料的忆阻器器件1关闭。
68.本实施例中，忆阻器阵列层为au电极/alceo/au电极结构，具有结构简单、易于制备、对紫外光以及部分可见光波段敏感和响应速度快的优点。
69.进一步的，第一光源层和第二光源层均为光源层。光控忆阻器还包括间隔且堆叠设置在光源层远离忆阻器阵列层一侧的忆阻器阵列层与光源层。且每一光控忆阻器均设置在第一光源层与第二光源层之间。能够实现多层的光控忆阻器，从而真正实现片上集成，进一步提高了光控忆阻器的存储密度。
70.本实施例中，多层的光控忆阻器的结构为au电极/第一光源层a/au电极/忆阻器阵列层a/au电极/第二光源层/au电极/忆阻器阵列层b/au电极/第一光源层b/au电极/
…
，其中忆阻器阵列层a与忆阻器阵列层b可以是同样材料的忆阻器器件1组成、也可以是不同材料的忆阻器器件1组成，第一光源层a与第一光源层b可以选择同样波段的发光二极管，也可以选择不同材料的发光二极管，忆阻器器件1材料的多样化能够实现忆阻器器件1的多样化，用户可根据自身需求选择最佳的忆阻器器件1的材料，并根据忆阻器器件1的材料选择最佳的波段与第一发光器件2和第二发光器件3的材料相对应。当忆阻器阵列层a与忆阻器阵列层b的材料相同时，第一光源层a与第一光源层b也相同。本发明的光控忆阻器在器件厚度允许的范围内可以一直间隔堆叠设置忆阻器阵列层与光源层，实现忆阻器器件1的片上集成和高密度存储。
71.如图4所示，进一步的，光控忆阻器还包括多个第一凸透镜9和多个第二凸透镜10。其中，第一凸透镜9嵌设在第二电极单元5内部，且每一第一凸透镜9均设置在与其对应的忆
阻器器件1与第一发光器件2之间。第二凸透镜10嵌设在第三电极单元6内部，且每一第二凸透镜10均设置在与其对应的忆阻器器件1与第二发光器件3之间。
72.凸透镜的设置可以使第一发光器件2或第二发光器件3发出的光有效地汇聚在其对应的忆阻器器件1上，减少对近邻的忆阻器器件1的干扰；另外，包覆凸透镜的电极，可以提高忆阻器器件1材料内的光功率密度，从而提高忆阻器器件1开启及关闭控制的准确率，提高单个忆阻器器件1的控制精度，从而提高忆阻器阵列层的控制精度。
73.进一步的，本发明的光控忆阻器还包括衬底8，衬底8设置在忆阻器阵列层远离第一电源层或第二电源层一侧，衬底8为二氧化硅/硅衬底8，即在硅衬底8表面生长一层二氧化硅绝缘材料。本发明对衬底8的厚度不做限定。本实施例中衬底8设置在第一电极单元4远离忆阻器器件1一侧。
74.本发明的光控忆阻器在工作时，首先点亮200-250nm波段的发光二极管，忆阻器器件1在200-250nm波段光的照射下，由于氧空位的离化或电子对缺陷能级的填充使忆阻器器件1的电导变成高电导。200-250nm波段光的开启时间为1ps-50ns，由于忆阻器器件1具有电阻保持特性，关闭200-250nm波段光后，忆阻器器件1仍能保持其高电导的状态。
75.然后点亮250-500nm波段的发光二极管，由于在250-500nm波段光的照射下电子与离化氧空位的符合或从缺陷能级中跃迁出来，使得电导降低。因此，在250-500nm波段光的照射下忆阻器器件1的电导从高电导变为低电导，250-500nm波段光照射的时间为1ps-50ns，关闭250-500nm波段光后，忆阻器器件1的低电导状态仍能保持。
76.与现有的电控忆阻器相比，本发明的光控忆阻器直接通过第一波段光控制忆阻器器件1的开启，通过第二波段光控制忆阻器器件1的关闭，无需将光信号转换为电信号再控制忆阻器器件1的工作，从而无需设置额外的光电转换器件，节约了忆阻器的制造成本、降低了功耗；而且本发明的光控忆阻器的第一光源层和第二光源层均为与忆阻器阵列层结构匹配的阵列光源，以点对点的方式实现了对单个忆阻器器件1开关控制的精确控制，从而增大了忆阻器阵列层的控制精度，还增大了光控忆阻器的密度；由于第一波段光和第二波段光的光斑可以很小，且不受电极工艺的限制，因此光控忆阻器的密度更高，可以实现高密度的存储，从而节约大量的空间用来制备高密度的存储器件。
77.本发明的光控忆阻器上可以间隔且堆叠设置多个忆阻器阵列层与光源层，能够实现多层的光控忆阻器，从而真正实现片上集成，进一步提高了光控忆阻器的存储密度。
78.本发明的光控忆阻器的忆阻器阵列层，其两侧的电极单元同时又是第一光源层和第二光源层共用的电极单元，进一步简化了光控忆阻器的结构，减小了光控忆阻器的体积。对于多层的光控忆阻器，除了最顶层和最底层的电极单元外，其余电极单元均可以共用，这样能够节省大量空间，便于忆阻器的高密度存储和片上集成。
79.本发明的光控忆阻器的忆阻器阵列层，其两侧电极单元内嵌设的凸透镜可以使第一发光器件2或第二发光器件3发出的光有效地汇聚在其对应的忆阻器器件1上，减少对近邻的忆阻器器件1的干扰；另外，包覆凸透镜的电极，可以提高忆阻器器件1材料内的光功率密度，从而提高忆阻器器件1开启及关闭控制的准确率，提高单个忆阻器器件1的控制精度，从而提高忆阻器阵列层的控制精度。
80.由于电子的传输速度是105m/s，而光子的传输速度是108m/s，光控速度是电控的1000倍，因此，本发明的光控忆阻器通过第一波段光和第二波段光能够更快速的控制忆阻
器器件1的开启和关闭。
81.另一方面，本发明实施例还提供了一种用于制备上述任一项中的光控忆阻器的制备方法，如图5所示，制备方法包括：
82.s1、在衬底8的一侧制备呈阵列分布的多个第一发光器件2，以形成第一光源层；
83.s2、在第一光源层远离衬底8的一侧设置呈阵列分布的多个忆阻器器件1，以形成忆阻器阵列层；
84.s3、在忆阻器阵列层远离第一光源层的一侧设置呈阵列分布的多个第二发光器件3，以形成第二光源层。
85.本发明实施例还提供了一种具体的光控忆阻器的制备方法，包括：
86.s1、在衬底8一侧制备第一电极单元4；实际应用中，第一电极单元4可以通过光刻的方法刻蚀得到；
87.s2、在第一电极单元4远离衬底8的一侧制备呈阵列分布的多个第一发光器件2；
88.s3、在第一发光器件2远离第一电极单元4的一侧制备第二电极单元5；具体的，先通过光刻的方法刻蚀得到第一层薄电极，然后将第一凸透镜9放置在薄电极上，最近制备第二层薄电极，以使第一凸透镜9包覆在第一层薄电极与第二层薄电极之间；
89.s4、在第二电极单元5远离第一发光器件2的一侧制备呈阵列分布的多个忆阻器器件1；实际应用中，忆阻器器件1可通过磁控溅射、脉冲激光沉积(pld)、金属有机化学气相沉积(mocvd)、原子层沉积(ald)以及溶胶-凝胶(sol-gel)、提拉膜、电喷、丝网印刷和3d打印等化学方法制备得到。
90.s5、在忆阻器器件1远离第二电极单元5的一侧制备第三电极单元6；实际应用中，第三电极单元6的制备方法与第二电极单元5的制备方法相同；
91.s6、在第三电极单元6远离忆阻器器件1的一侧制备呈阵列分布的多个第二发光器件3；
92.s7、在第二发光器件3远离第三电极单元6的一侧制备第四电极单元7；实际应用中，第四电极单元7可以通过光刻的方法刻蚀得到。
93.以上，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。