一种基于氧化铌的莫特忆阻器阵列及其制备方法、莫特忆阻器和应用

1.本发明涉及忆阻器技术领域，尤其是涉及一种基于氧化铌的莫特忆阻器阵列及其制备方法、莫特忆阻器和应用。


背景技术：

2.在大数据和物联网时代，大量传感数据，如图片、语音和视频，需要以高能效进行实时处理。由于冯
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诺依曼瓶颈，对传统的计算架构构成了重大挑战。随着信息技术的迅速发展，对高效率和超低功耗提出了迫切的要求。
3.神经形态计算因其高并行性、极低功耗以及存储和计算的集成性而备受广泛关注。人工神经元作为神经形态计算的重要基石，在神经形态计算中发挥着至关重要的作用。从计算的角度来看，当达到阈值时，人工神经元会集成多个输入，并以尖峰的形式将信号传输到下一级神经元。因此，具有独特物理机制的人工神经元设备对于神经形态计算的发展、新型非冯
·
诺依曼架构芯片的研发以及类脑智能的最终实现具有非常重要的意义。忆阻器神经网络提供了比传统互补金属氧化物半导体硬件平台高几个数量级的操作速度和能效。基于忆阻器的人工神经元在物理层面上与生物神经元本质上相似，这可能使在新的计算范式中再现生物网络行为变得更加可行和高效。
4.目前，基于忆阻器的人工神经元主要包括基于价态变化机制的神经元、基于电化学金属化机制的神经元和基于相变机制的神经元。在不同的应用场景中，人工神经元需要不同的性能来适应功能变化，例如不同的激活阈值和刺突电位保留时间。不幸的是，在调节人工神经元性能的策略中仍然非常有限。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于氧化铌的莫特忆阻器阵列及其制备方法、莫特忆阻器和应用。
6.为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
7.第一方面，本发明提供一种基于氧化铌的莫特忆阻器阵列，包括由下至上依次布设的底电极层、阻变层和顶电极层，所述阻变层为片层结构，所述顶电极层和底电极层分别由多个相互平行且设有间隙的电极组成，所述顶电极层上的电极与底电极层上的电极呈交叉状布设，所述阻变层为氧化铌。
8.作为一种优选实施方式，所述阻变层的厚度为40～50nm。
9.作为一种优选实施方式，所述顶电极层的厚度为30～70nm。
10.作为一种优选实施方式，所述底电极层的厚度为30～70nm。
11.作为一种优选实施方式，所述顶电极层上的电极和底电极层上的电极均选自铝、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。
12.作为一种优选实施方式，所述顶电极层上的电极与底电极层上的电极呈垂直状布
设。
13.第二方面，本技术提供一种基于氧化铌的莫特忆阻器，包括由下至上依次布设的底电极层、阻变层和顶电极层，所述阻变层为氧化铌。
14.第三方面，本技术提供一种基于氧化铌的莫特忆阻器阵列的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
15.步骤s1：在烘干的硅衬底上设置第一掩模版，在真空环境下，将底电极层材料作为第一溅射源溅射沉积到衬底上表面，制得底电极层；
16.步骤s2：取下第一掩模版，通过对准标记覆盖第二掩膜版，将第一溅射源更换为含氧化铌的第二溅射源，将第二溅射源溅射到底电极层上，以制备阻变层；
17.步骤s3：在阻变层上方设置第三掩模版，选取顶电极层材料为第三溅射源，向阻变层溅射顶电极层材料，以制得顶电极层，从而获得基于氧化铌的莫特忆阻器阵列。
18.作为一种优选实施方式，采用钨作为第一溅射源，溅射沉积制得底电极层，所述底电极层为钨电极层；采用铂为第三溅射源，溅射沉积制得顶电极层，所述顶电极层为铂电极层。
19.第四方面，本技术还提供一种基于氧化铌的莫特忆阻器阵列或者基于氧化铌的莫特忆阻器在模拟人脑神经元中的应用。
20.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
21.1、本发明提供的基于氧化铌的莫特忆阻器阵列，相比于单一器件，具有更小的特征尺寸，能够显著提高阻变层的开关特性和稳定性，使得基于氧化铌的莫特忆阻器能够更好的应用于神经形态计算，进而能够用于模拟神经元，代替传统互补金属氧化物半导体技术的神经元等，为下一代神经形态硬件提供了一种有效的策略。
22.2、本发明提供的基于氧化铌的莫特忆阻器阵列制备方法，具有简单、高效等特点，不仅能够有效地制备出高质量的莫特忆阻器阵列，还能够广泛的应用于不同场景中。
23.3、本发明提供的基于氧化铌的莫特忆阻器，通过将氧化铌作为莫特忆阻器的阻变层，使得基于氧化铌的莫特忆阻器能够在外加电压的情况下，具备导电细丝性质，以使得器件阻值能够发生变化，从而实现器件的阻态变化。该莫特忆阻器能够表现出良好的阈值切换特性以及良好的器件稳定性和循环稳定性
24.4、本发明提供的基于氧化铌的莫特忆阻器阵列或者基于氧化铌的莫特忆阻器，通过将基于氧化铌的莫特忆阻器与电阻、电容器以及晶体管连接，能够进一步搭建神经元电路，为开发可调谐人工神经元和下一代神经形态硬件提供了一种简单有效的策略，能够适用于电子皮肤、脑机接口等领域。
附图说明
25.图1为本发明实施例提供的基于氧化铌的莫特忆阻器的结构示意图；
26.图2为本发明实施例提供的基于氧化铌的莫特忆阻器阵列的制备流程图；
27.图3为本发明实施例提供的基于铂/氧化铌/钨的莫特忆阻器阵列的制备流程图；
28.图4为本发明实施例提供的基于铂/氧化铌/钨的莫特忆阻器在0～2.3v刺激下，0.55μa限流时的循环伏安曲线图；
29.图5为本发明实施例提供的基于铂/氧化铌/钨的莫特忆阻器在0～2.3v刺激下，
0.55μa限流时10个循环伏安曲线图；
30.图6为本发明实施例提供的基于铂/氧化铌/钨的莫特忆阻器在-1.8～3v刺激下，20μa限流时的循环伏安曲线图；
31.图7为本发明实施例提供的基于铂/氧化铌/钨的莫特忆阻器在-1.8～3v的刺激下，20μa限流时10个循环伏安曲线图；
32.图8为本发明实施例提供的基于铂/氧化铌/钨的莫特忆阻器在从0.5v线性增加到4.5v的电压脉冲刺激下产生的电流响应图。
33.图中：1、顶电极层；2、阻变层；3、底电极层；4、衬底；5、电极。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。所述实施例的示例在附图中示出，在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，旨在用于解释本发明，而不构成为对本发明的限制。
35.本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中提到的相关的制备流程中的步骤、措施、方案中的一项或多项的硬件设备。所述硬件设备可以为所需的目的而专门设计和制造。
36.本发明提供一种基于氧化铌的莫特忆阻器阵列，请参见图1，包括底电极层1、阻变层2和顶电极层3，所述底电极层1、阻变层2和顶电极层3由下至上依次布设。其中，所述阻变层2为片层结构，所述顶电极层1由多个相互平行且设有间隙的电极5组成，所述底电极层3也由多个相互平行且设有间隙的电极5组成，所述顶电极层1上的电极5与底电极层3上的电极5呈交叉状布设，所述阻变层2为氧化铌。
37.本发明提供的基于氧化铌的莫特忆阻器阵列，相比于单一器件，具有更小的特征尺寸，能够显著提高阻变层的开关特性和稳定性，使得基于氧化铌的莫特忆阻器能够更好的应用于神经形态计算，进而能够用于模拟神经元，代替传统互补金属氧化物半导体技术的神经元等，为下一代神经形态硬件提供了一种有效的策略。
38.需要说明的是，在一些实施例中，所述顶电极层1上的电极5与底电极层3上的电极5也可以呈垂直状布设。本领域技术人员也可以将顶电极层1上的电极5与底电极层3上的电极5设置为30度角，本发明在此不作限制。
39.在一些实施例中，所述阻变层2的厚度为40nm，所述顶电极层1的厚度为30nm，所述底电极层3的厚度为30nm。但本领域技术人员应当理解，所述阻变层2的厚度也可以设置为50nm，所述顶电极层1的厚度可以为70nm，所述底电极层3的厚度可以为60nm。即本技术中，所述顶电极层1、阻变层2和底电极层3的厚度可以根据实际需要进行设定，本技术在此不作限定。本领域技术人员可以根据实际需要，将所述顶电极的厚度设置为30～70nm，将所述阻变层的厚度设置为40～50nm，将所述底电极的厚度设置为30～70nm。
40.所述顶电极层1上的电极5和底电极层3上的电极5均选自铝、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。
41.本发明的电极5、阻变层2通过pvd方法制得，即采用物理气相沉积法制得。
42.本发明提供一种基于氧化铌的莫特忆阻器，包括底电极层1、阻变层2和顶电极层3，所述阻变层2为片层结构，所述底电极层1、阻变层2和顶电极层3由下至上依次布设，所述
阻变层2为氧化铌。所述顶电极层1上的电极5与底电极层3上的电极5可以呈垂直状布设。所述顶电极层1上的电极5与底电极层3上的电极5可以设置为60度角，本发明在此不作限制。
43.所述阻变层2的厚度为45nm，所述顶电极层1的厚度为40nm，所述底电极层3的厚度为60nm。需要说明的是，所述阻变层2的厚度也可以设置为48nm，所述顶电极层1的厚度可以为60nm，所述底电极层3的厚度可以为65nm。
44.本实施例中，所述顶电极层1上的电极5可以为铂，所述底电极层3上的电极5为钨。但需要说明的是，本领域技术人员也可以选择铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的一种作为电极5材料。
45.本技术还提供一种基于氧化铌的莫特忆阻器阵列的制备方法，请参见图2，所述制备方法包括以下步骤：
46.步骤s1：在烘干的衬底4上设置第一掩模版，在真空环境下，将底电极层3材料作为第一溅射源溅射沉积到衬底4上表面，制得底电极层3；需要说明的是，所述衬底4可以为硅衬底；
47.步骤s2：取下第一掩模版，通过对准标记覆盖第二掩膜版，将第一溅射源更换为含氧化铌的第二溅射源，将第二溅射源溅射到底电极层3上，以制备阻变层2；
48.步骤s3：在阻变层2上方设置第三掩模版，选取顶电极层1材料为第三溅射源，向阻变层2溅射顶电极层1材料，以制得顶电极层1，从而获得基于氧化铌的莫特忆阻器阵列。
49.作为一种优选实施方式，本发明提供一种结构为铂/氧化铌/钨的莫特忆阻器的制备方法，请参见图3，所述莫特忆阻器为9
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9阵列。其中，所述底电极层3为钨电极，所述顶电极层1为铂电极，所述阻变层2为氧化铌，其制备步骤如下：
50.步骤s1：真空环境下，将硅衬底4固定在溅射系统的基片上，并在硅衬底4顶部安装第一掩模板，选取钨作为溅射源，通过磁控溅射仪沉积得到厚度为40nm的钨电极，即制得底电极层3；
51.步骤s2：真空环境下，将制得的钨固定在溅射系统的基片上，并在底电极层3顶部安装第二掩模板，选取氧化铌作为溅射源，将第二溅射源溅射到铂电极上，制得设于铂电极上的厚度为40nm的阻变层2；
52.步骤s3：真空环境下，将制得的阻变层2固定在溅射基片上，并在阻变层2顶部安装第三掩模板，选取铂的溅射源，并溅射沉积得到顶电层极1，所述铂电极的厚度为30nm，从而制得基于铂/氧化铌/钨的莫特忆阻器阵列。
53.本发明的实施方式可以有效解决现有技术中存在的一些问题，例如现有技术中莫特忆阻器的阈值切换特性不够理想、制备方法复杂等问题，具有制备方法具有简单、高效的特点，能够有效地制备出高质量的莫特忆阻器阵列，用于电子皮肤、脑机接口等领域。
54.为了方便理解，本实施例将结合附图对基于铂/氧化铌/钨的莫特忆阻器的特性进行详细说明。本发明提供基于铂/氧化铌/钨的莫特忆阻器在0～2.3v刺激下，在0.55μa限流时的循环伏安曲线图，请参见图4，本实施例中，将扫描-停止电压设置为0v至2.3v，步幅为0.05v。从图4中可知，在此较小的限流下，莫特忆阻器表现出易失性，易呈现出典型的阻变切换特性。更具体地，测试过程中，莫特忆阻器的初始电阻非常大，处于关断状态，称为高阻态。当施加的扫描电压达到为1.95v时，电流突然急剧增大，莫特忆阻器导通，转变为低阻态。然而在电压回扫的过程中，当扫描电压低于为1.2v时，莫特忆阻器的电阻开始增大并在
约0.35v处完全回复到高阻态。也就是说，莫特忆阻器的阻态在电压至0v前就会回到原始高阻态，表明该限流下莫特忆阻器的低阻态并不能保持，具有明显的易失性。这是因为小限流下形成的导电细丝非常脆弱，由于电流产生的焦耳热，导致导电细丝不稳定且易断裂。
55.图5为基于铂/氧化铌/钨的莫特忆阻器的在0～2.3v刺激下，以0.55μa限流时10个循环伏安曲线图。同样地，本实施例中，将扫描-停止电压设置为0v至2.3v，步幅为0.05v。在此较小的限流下，莫特忆阻器表现出易失性。测试过程中，莫特忆阻器的初始电阻非常大，处于关断状态，称为高阻态。当施加的扫描电压达到约1.8v时，电流突然急剧增大，器件导通，转变为低阻态。在电压回扫的过程中，当扫描电压低于约1.1v时，器件的电阻开始增大并在约0.3v处完全回复到高阻态。由图中可知，本发明的莫特忆阻器表现出高度的稳定性，每一个循环伏安曲线图都大致相同。
56.图6是本发明基于铂/氧化铌/钨的莫特忆阻器在-1.8～3v的刺激和20μa限流时的循环伏安曲线图。从图6中可知，在此较大的限流下，莫特忆阻器表现出非易失性。将正向扫描-停止电压设置为0v至3v，步幅为0.005v。将反向扫描-停止电压设置为0v至-1.8v，步幅为0.005v。随着正向电压的增大，莫特忆阻器也是先从高阻态转变为低阻态。与小限流下不同的是，在电压回扫的过程中，器件可以保持住低阻态，即具有明显的非易失性，需要加反向电压将其变为高阻态。在反向电压下，导电细丝的局部会很快发生断裂，使莫特忆阻器回到高阻态，为下一次的开关做准备，因此，该莫特忆阻器能够呈现出典型的正开负关的双极型开关特性。
57.图7是本发明忆阻器件在-1.8～3v的刺激和20μa限流时10个循环伏安曲线图。从图7中可知，在此较大的限流下，莫特忆阻器表现出非易失性。将正向扫描-停止电压设置为0v至3v，步幅为0.005v。将反向扫描-停止电压设置为0v至-1.8v，步幅为0.005v。随着正向电压的增大，在大约2.5v时，莫特忆阻器先从高阻态转变为低阻态。在反向电压回扫的过程中，当扫描电压低于约-0.5v时，导电细丝很快局部发生断裂，莫特忆阻器的电阻开始增大并在约-1.8v处完全回复到高阻态，为下一次的开关做准备。由图7可知，本发明的莫特忆阻器表现出高度的稳定性，图7中每一个循环伏安曲线图都大致相同。
58.图8为基于铂/氧化铌/钨的莫特忆阻器在在从0.5v线性增加到4.5v的电压脉冲刺激下，产生的响应电流图。根据图8所示，在一组间隔极短、幅度逐渐增加的电压脉冲刺激下，相比于前一个脉冲产生的电流响应，后一个脉冲所产生的电流响有明显的增加，并且电流增加的趋势越来越明显。
59.此外，需要说明的是，本发明提供的基于氧化铌的莫特忆阻器阵列或者基于氧化铌的莫特忆阻器，能够应用在模拟人脑神经元中。具体地，通过在底电极层1之上覆盖一层氧化铌以构成阻变层2，有利于导电细丝的生长。根据阻变器件的导电细丝模型，氧化铌提高了阻变层及整个莫特忆阻器的导电性和稳定性。同时，本技术对顶电极层3、阻变层2和底电极层1的厚度进行限定，能够使得莫特忆阻器的阻态更稳定。再者，由于莫特忆阻器的阈值转变特性，可用于构造神经形态电路。
60.也就是说，通过将氧化铌作为莫特忆阻器的阻变层2，使得基于氧化铌的莫特忆阻器能够在外加电压的情况下，具备导电细丝性质，以使得器件阻值能够发生变化，从而实现器件的阻态变化。该莫特忆阻器能够表现出良好的阈值切换特性以及良好的器件稳定性和循环稳定性，通过将基于氧化铌的莫特忆阻器与电阻、电容器以及晶体管连接，能够进一步
搭建神经元电路，为开发可调谐人工神经元和下一代神经形态硬件提供了一种简单有效的策略。
61.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于氧化铌的莫特忆阻器阵列，其特征在于，包括由下至上依次布设的底电极层、阻变层和顶电极层，所述阻变层为片层结构，所述顶电极层和底电极层分别由多个相互平行且设有间隙的电极组成，所述顶电极层上的电极与底电极层上的电极呈交叉状布设，所述阻变层为氧化铌。2.根据权利要求1所述的基于氧化铌的莫特忆阻器阵列，其特征在于，所述阻变层的厚度为40～50nm。3.根据权利要求1所述的基于氧化铌的莫特忆阻器阵列，其特征在于，所述顶电极层的厚度为30～70nm。4.根据权利要求1所述的基于氧化铌的莫特忆阻器阵列，其特征在于，所述底电极层的厚度为30～70nm。5.根据权利要求1所述的基于氧化铌的莫特忆阻器阵列，其特征在于，所述顶电极层上的电极和底电极层上的电极均选自铝、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。6.根据权利要求1所述的基于氧化铌的莫特忆阻器阵列，其特征在于：所述顶电极层上的电极与底电极层上的电极呈垂直状布设。7.一种基于氧化铌的莫特忆阻器，其特征在于，包括由下至上依次布设的底电极层、阻变层和顶电极层，所述阻变层为氧化铌。8.一种基于氧化铌的莫特忆阻器阵列的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：步骤s1：在烘干的硅衬底上设置第一掩模版，在真空环境下，将底电极层材料作为第一溅射源溅射沉积到衬底上表面，制得底电极层；步骤s2：取下第一掩模版，通过对准标记覆盖第二掩膜版，将第一溅射源更换为含氧化铌的第二溅射源，将第二溅射源溅射到底电极层上，以制备阻变层；步骤s3：在阻变层上方设置第三掩模版，选取顶电极层材料为第三溅射源，向阻变层溅射顶电极层材料，以制得顶电极层，从而获得基于氧化铌的莫特忆阻器阵列。9.根据权利要求8所述的基于氧化铌的莫特忆阻器阵列的制备方法，其特征在于，采用钨作为第一溅射源，溅射沉积制得底电极层，所述底电极层为钨电极层；采用铂为第三溅射源，溅射沉积制得顶电极层，所述顶电极层为铂电极层。10.一种如权利要求1～6所述的基于氧化铌的莫特忆阻器阵列或者权利要求7所述的基于氧化铌的莫特忆阻器在模拟人脑神经元中的应用。

技术总结
本发明公开了一种基于氧化铌的莫特忆阻器阵列及其制备方法、莫特忆阻器和应用，所述莫特忆阻器由下至上分为底电极层、阻变层和顶电极层，所述阻变层为氧化铌，所述莫特忆阻器的顶电极层的电极和底电极的电极由多个相互平行且设有间隙的电极组成，所述顶电极层与底电极层呈交叉状布设，以提高莫特忆阻器的集成度。本发明通过将氧化铌作为阻变层材料，使莫特忆阻器阵列、莫特忆阻器表现出良好的阈值切换特性以及良好的器件稳定性和循环稳定性，能够更好地应用于神经元电路的搭建，且制备莫特忆阻器阵列的方法较为简单、高效，适合在产业上推广使用。上推广使用。上推广使用。


技术研发人员：张彦忠 王宇 王沿霁 安欣悦 童袆
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/10/15