一种基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器及其制备方法与应用

本发明属于微电子集成电路相关，更具体地，涉及一种基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器及其制备方法与应用。

背景技术：

1、大数据时代下每年都会产生海量的数据，21世纪以来爆炸性增长的数据与摩尔定律放缓产生的算力鸿沟愈来愈大。庞大的数据量要求下一代存储器技术具备大容量和高速度。目前的冯诺依曼架构对于智能计算中的存储和计算分离存在两个严重的问题：“功耗墙”和“内存墙”。正如摩尔定律所预测的那样，通过不断减小器件尺寸，算力得到了增强，然而这些方法不能从根本上解决问题，因此急需开发一种新的存储技术来解决数据搬运产生功耗墙和数据延迟的内存墙。

2、忆阻器被认为是除电感、电阻、电容之外第四种基本无源电路器件。蔡少棠最早于1971年从电路理论完备性角度预测可能存在一种新的双端无源电子元件。忆阻器连接电荷和磁通量，通过电阻的变化记忆流经器件的电流或者磁通量，其在外加电场下具有连续可调的电阻，是理想的神经突触仿生元件。近年来许多新兴的二维材料(如过渡金属卤化物、过渡金属硫属化合物、石墨烯、氮化硼等)，因其原子级厚度且具有优异的电学、光学和机械性能而被用于忆阻器。目前，忆阻器已成为神经形态系统中人工突触设备的理想候选者，在逻辑计算、人工感觉系统和神经形态类脑计算等应用领域具有巨大潜力。

3、关于忆阻器的阻态切换，研究学者已提出许多解释的阻变机制，如导电丝机制、空位迁移机制、本征离子迁移机制、相变机制等，然而这些机制本质上是离子在半导体中的扩散迁移，受限于其扩散势垒，所报道的忆阻器功耗和操作速度均居高不下，严重阻碍了其实际应用。因此迫切需要提出一种新的阻态切换机制来打破忆阻器功耗和操作速度的瓶颈。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器及其制备方法与应用，其旨在解决传统忆阻器功耗高和操作速度慢的问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器，所述忆阻器包括自上而下设置的顶电极、活性金属层、功能层及底电极，所述功能层的材料包括过渡金属卤化物、卤化物超离子导体及氧化物超离子导体中的任一个；

3、所述顶电极及所述底电极用于连接电源，以为所述功能层提供电场；所述功能层用于在所述电场的作用下形成超离子导体通道，所述超离子通道用于为所述活性金属层的活性金属提供通道进行扩散而形成导电细丝，以实现阻态切换。

4、进一步地，所述过渡金属卤化物包括cucl、cubr、cui、zncl2、znbr2、zni2、fecl3、febr3、nicl2、nibr2中的一种或者多种。

5、进一步地，所述卤化物超离子导体包括agcl、agbr、agi、pbcl2、pbbr2、pbi2、caf2、srf2、baf2、li3incl6、li3inbr6、rbcu16icl13中的一种或者多种。

6、进一步地，所述氧化物超离子导体包括zro2、na2o、y2o3、rbo2、cso2中的一种或者多种。

7、进一步地，所述功能层的厚度为10nm～500nm。

8、进一步地，所述活性金属层的材料包括ag、pb、ca及其合金中的一种或者多种，厚度为10nm-500nm。

9、进一步地，所述底电极的材料为au、pt或者gr中的一种，厚度为10nm-500nm。

10、进一步地，所述顶电极的材料包括au、pt、ti、al、ni或者ag中的任一种，所述顶电极的厚度为10nm-500nm。

11、本发明还提供了一种基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器的制备方法，所述制备方法用于制备如上所述的基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器，其包括以下步骤：

12、(1)提供衬底，在所述衬底表面沉积底电极；

13、(2)在所述底电极表面形成功能层；

14、(3)在所述功能层上依次沉积活性金属层和顶电极，从而得到基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器。

15、本发明还提供了一种如上所述的基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器在神经形态类脑计算中的应用。

16、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器及其制备方法与应用主要具有以下有益效果：

17、1.本发明所提供的忆阻器的功能层在电场作用下形成超离子导体通道，活性金属沿超离子导体通道快速扩散形成导电细丝，从而实现阻态切换，基于超离子导体具有与液体电解质相似的迁移势垒和超快扩散速度，使得所述忆阻器解决了传统忆阻器功耗高和操作速度慢的问题。

18、2.本发明所提供的忆阻器能够通过简单的限制电流来控制导电丝生长，实现可重构的易失和非易失阻变特性，且无需改变器件结构和组成。同时，本发明提供的忆阻器具备开关比大、工作电压低、稳定性好、均一性高和操作速度快等优势，在逻辑计算、人工感觉系统和神经形态类脑计算等邻域具有巨大的应用潜力。

19、3.本发明所提供的忆阻器的制备方法与传统cmos工艺相兼容，制备流程简单易行，且具备普适性，有利于大规模的生产制备。

技术特征：

1.一种基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器，其特征在于：

2.如权利要求1所述的基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器，其特征在于：所述过渡金属卤化物包括cucl、cubr、cui、zncl2、znbr2、zni2、fecl3、febr3、nicl2、nibr2中的一种或者多种。

3.如权利要求1所述的基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器，其特征在于：所述卤化物超离子导体包括agcl、agbr、agi、pbcl2、pbbr2、pbi2、caf2、srf2、baf2、li3incl6、li3inbr6、rbcu16icl13中的一种或者多种。

4.如权利要求1所述的基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器，其特征在于：所述氧化物超离子导体包括zro2、na2o、y2o3、rbo2、cso2中的一种或者多种。

5.如权利要求1所述的基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器，其特征在于：所述功能层的厚度为10nm～500nm。

6.如权利要求1所述的基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器，其特征在于：所述活性金属层的材料包括ag、pb、ca及其合金中的一种或者多种，厚度为10nm-500nm。

7.如权利要求1-6任一项所述的基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器，其特征在于：所述底电极的材料为au、pt或者gr中的一种，厚度为10nm-500nm。

8.如权利要求1-6任一项所述的基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器，其特征在于：所述顶电极的材料包括au、pt、ti、al、ni或者ag中的任一种，所述顶电极的厚度为10nm-500nm。

9.一种基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器的制备方法，其特征在于：所述制备方法用于制备权利要求1-8任一项所述的基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器，其包括以下步骤：

10.一种权利要求1-8任一项所述的基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器在神经形态类脑计算中的应用。

技术总结
本发明属于微电子集成电路相关技术领域，其公开了一种基于超离子导体阻态切换机制的忆阻器及其制备方法与应用，所述忆阻器包括自上而下设置的顶电极、活性金属层、功能层及底电极，所述功能层的材料包括过渡金属卤化物、卤化物超离子导体及氧化物超离子导体中的任一个。所述顶电极及所述底电极用于连接电源，以为所述功能层提供电场；所述功能层用于在所述电场的作用下形成超离子导体通道，所述超离子通道用于为所述活性金属层的活性金属提供通道进行扩散而形成导电细丝，以实现阻态切换，进而解决了传统忆阻器功耗高和操作速度慢的问题。

技术研发人员：李渊,霍达,翟天佑
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/9