一种全氧化物的透明光电忆阻器及其制备方法

1.本发明属于光信息非易失型存储技术领域，尤其涉及种一种全氧化物的透明光电忆阻器及其制备方法。


背景技术：

2.随着大数据和人工智能的发展，人们提高了对终端设备的存储和计算能力的期望。然而，基于传统闪存的存储面临着严重的挑战，如功耗、可扩展性问题以及基于冯
·
诺依曼架构的计算速度问题。为了解决上述的问题，新兴的忆阻器设备显示了巨大的潜力。在存储方面，忆阻器设备具有缩小存储单元、结构简单、多级电阻存储、低功耗等特点。在计算方面，忆阻器设备具有内部计算能力，能够提供新的计算模式，这意味着可以在单个设备内完成存储和计算过程，而不需要数据移动，从而避免了冯-诺依曼瓶颈。
3.特别的是，由光信号和电信号调制的光电忆阻器件获得了研究人员的高度关注，因为这些器件可以使用光作为输入，通过编程各种参数，包括光强，偏置电压等，在多个水平上调制光电流，用于多比特数据存储。一般来说，数据存储是光电忆阻器用于传感、通信和神经形态计算的基础。同时，透明电子器件在生产"隐形“电子电路和光电器件方面”也具有非常大的潜力。一般来说，宽带隙金属氧化物被用来设计这些高度透明的电子产品。然而，有效利用全氧化物材料来实现高度透光的光电忆阻器是非常必要的，因为这不仅可以解决由金属电极带来的成本问题，而且还可以提高器件的透明度。
4.综上所述，有必要对现有技术做进一步创新。


技术实现要素：

5.针对上述背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种构思合理，具有非易失性、透明、功耗低、成本低廉、能实现多功能化等优点的全氧化物的透明光电忆阻器及其制备方法。
6.为解决上述技术问题，本发明提供的一种全氧化物的透明光电忆阻器，包括透明基底、匹配设置在所述透明基底之上的透明下电极层、匹配设置在所述透明下电极层上部的透明存储层以及匹配设置在所述透明存储层上部的透明上电极层。
7.所述全氧化物的透明光电忆阻器，其中：所述透明基底的材料采用ito玻璃、pen和pet中的任意一种。
8.所述全氧化物的透明光电忆阻器，其中：所述透明下电极层的材料采用ito、fto和zno中的任意一种。
9.所述全氧化物的透明光电忆阻器，其中：所述透明存储层的材料采用igzo、zno、sno2、in2o3和ga2o
3，
中的任意一种。
10.所述全氧化物的透明光电忆阻器，其中：所述透明上电极层的材料采用ito、fto、zno和in2o3中的任意一种。
11.所述全氧化物的透明光电忆阻器，其中：所述透明下电极层的厚度可为10-200nm；
所述透明存储层的厚度可为10-50nm；所述透明上电极层的厚度可为10-100nm。
12.所述全氧化物的透明光电忆阻器，其中：所述透明基底的材料为ito玻璃；所述透明下电极层的材料为ito；所述透明存储层的材料为igzo；所述透明上电极层的材料为in2o3；所述透明下电极的厚度为200nm；所述透明存储层的厚度为14nm；所述透明上电极层的厚度为40nm。
13.一种全氧化物的透明光电忆阻器的制备方法，包括以下步骤：
14.(1)选取ito导电玻璃作为透明基底，然后对透明基底进行清洗，并把ito导电玻璃上的ito材料作为透明下电极层；
15.(2)利用磁控溅射的方法在透明下电极层的表面上沉积igzo薄膜作为透明存储层；
16.(3)利用磁控溅射的方法在透明存储层的表面上沉积in2o3薄膜作为透明上电极层。
17.所述全氧化物的透明光电忆阻器的制备方法，其中，所述步骤(1)中清洗透明基底的具体过程为：依次使用玻璃洗涤剂、无水乙醇和去离子水分别超声清洗15min，然后用氮气吹干。
18.所述全氧化物的透明光电忆阻器的制备方法，其中，所述步骤(2)具体过程为：对磁控溅射设备的靶材即igzo陶瓷靶进行溅射，溅射时工作压强为1pa、溅射功率为30w，ar与o2的流量比为30：3sccm，时间为25min。
19.所述全氧化物的透明光电忆阻器的制备方法，其中,所述步骤(3)的具体过程为：对in金属靶材进行溅射，溅射时工作压强为1pa、溅射功率为10w，ar与o2的流量比为30：10sccm，时间为25min。
20.采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
21.本发明全氧化物的透明光电忆阻器结构设计简单、合理，不仅可以在电信号下实现写入、擦除过程，完成信息的存储，也可以通过上电极层输入光信号实现写入、之后通过电信号进行擦除，完成光信息的存储。
22.本发明全氧化物的透明光电忆阻器的制备方法构思合理、步骤简单，尤其下电极、存储层以及上电极材料均为透过性较高的氧化物材料，这不仅节省了传统金属电极的开销，降低了成本，而且还具备较高的透明性。由于透明存储层可以在不同电压条件下有效捕获、释放电子，因此可以使本发明全氧化物的透明光电忆阻器在高阻值和低阻值之间来回切换，进而实现存储器的“1”和“0”的存储过程。此外，利用透明存储层薄膜的光学特性也可以在光信号下实现存储过程，使得本发明全氧化物的透明光电忆阻器具有两种操作模式，集感知与存储于一体的功能，实现多功能化。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明全氧化物的透明光电忆阻器的结构示意图；
25.图2为本发明全氧化物的透明光电忆阻器在五次相同电压下的i-v扫描曲线图；
26.图3为本发明全氧化物的透明光电忆阻器在紫外光和电压共同作用下的i-v曲线图；
27.图4为本发明全氧化物的透明光电忆阻器在光响应之后的电流保持特性图。
具体实施方式
28.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
30.下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。
31.如图1所示，本发明全氧化物的透明光电忆阻器，其包括透明基底1及自下而上依次设置在透明基底1之上的透明下电极层2、透明存储层3和透明上电极层4。
32.该透明基底1采用ito导电玻璃、pen或pet材料。
33.该透明下电极层2采用ito、fto或zno材料，厚度可为10-200nm；其中，本实施例中，该透明下电极层2采用ito材料，厚度为200nm。
34.该透明存储层3采用igzo、zno、sno2、in2o3或ga2o3材料，厚度为10-50nm；其中，本实施例中，该透明存储层3采用igzo材料，厚度为14nm。
35.该透明上电极层4为采用ito、fto、zno或者in2o3材料，厚度为10-100nm；其中，本实施例中该透明上电极层4采用in2o3材料，厚度为40nm。
36.本发明全氧化物的透明忆阻器的制备方法，具体包括以下步骤：
37.s100、选取ito导电玻璃作为透明基底1，然后对透明基底1进行清洗，并把ito导电玻璃上的ito材料作为透明下电极层2。其中，清洗透明基底1的具体步骤为：依次使用玻璃洗涤剂、无水乙醇、去离子水，分别超声清洗15min，然后用氮气吹干。
38.s200、制备透明存储层
39.采用磁控溅射的方法在透明下电极层2的表面沉积igzo薄膜作为透明存储层3；具体过程为：对磁控溅射设备的靶材即igzo陶瓷靶进行溅射，溅射时工作压强为1pa、溅射功率为30w，ar与o2的流量比为30：3sccm，时间为25min。
40.s300、制备透明上电极
41.采用磁控溅射的方法在igzo存储层3的表面沉积in
203
薄膜作为透明上电极层4；具体过程为：对in金属靶材进行溅射，溅射时工作压强为1pa、溅射功率为10w，ar与o2的流量比为30：10sccm，时间为25min。
42.下面结合本发明全氧化物的透明光电忆阻器在不同条件下的使用情况，来对本发明做进一步阐述。
43.如图2所示，在正向电压(0-3v-0)的扫描下，本发明全氧化物的透明光电忆阻器的阻值由高阻切换到低阻，其中高阻和低阻分别代表存储器的“0”和“1”状态，这意味本发明
全氧化物的透明光电忆阻器完成写入过程。阻值变化的原因是电场下电荷被存储层中的陷阱俘获，导致电流增加。相反，在负向电压(0
‑‑
3v-0)扫描下，俘获的电荷载流子被释放，因此本发明全氧化物的透明忆阻器电流减小，由低阻回到高阻，完成擦除过程。基于电荷俘获和去俘获机制，使得本发明全氧化物的透明光电忆阻器的在写入和擦除过程中电流都是缓慢变化，这类似于生物突触重量变化，进而表明本发明全氧化物的透明光电忆阻器也具有模拟神经突触的功能。
44.如图3所示，在254nm波长的紫外光照射下，本发明全氧化物的透明光电忆阻器大约在1v电压附近突然切换到低阻，完成光写入过程。当紫外光照射到本发明全氧化物的透明忆阻器上时，存储层中的中性氧空位被大部分电离(vo＝vo
2+
+2e-)，过量的电子通过光激发或陷阱辅助被激发到导带，从而导致电流增加。在去除紫外光后，在电场作用下，复合过程和光诱导的电子被捕获促进了电流的减小，因此在-5v左右本发明全氧化物的透明光电忆阻器回到高阻，完成电擦除过程。
45.如图4所示，在光响应之后，本发明全氧化物的透明光电忆阻器电流在1000s之后并未衰退，证明了本发明全氧化物的透明光电忆阻器的光存储具有非易失性。值得注意的是，整个过程用0.1v监测本发明全氧化物的透明忆阻器的电流变化，同样也证明本发明全氧化物的透明光电忆阻器在光辅助下能够在较小的偏压下在实现存储，大大降低器件的功耗。
46.结果表明，本发明全氧化物的透明光电忆阻器的制备方法制得的全氧化物的透明光电忆阻器的具有透明性、电流渐变特性、低功耗特性以及光存储和电存储两种操作模式的优点，为单个设备内实现高效的传感、数据存储、和数据处理的多功能集成提供借鉴。
47.本发明构思合理，具有非易失性、透明、功耗低和成本低廉的优点。
48.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种全氧化物的透明光电忆阻器，其特征在于：所述透明光电忆阻器包括透明基底、匹配设置在所述透明基底之上的透明下电极层、匹配设置在所述透明下电极层上部的透明存储层以及匹配设置在所述透明存储层上部的透明上电极层。2.如权利要求1所述的全氧化物的透明光电忆阻器，其特征在于：所述透明基底的材料采用ito玻璃、pen和pet中的任意一种。3.如权利要求1所述的全氧化物的透明光电忆阻器，其特征在于：所述透明下电极层的材料采用ito、fto和zno中的任意一种。4.如权利要求1所述的全氧化物的透明光电忆阻器，其特征在于：所述透明存储层的材料采用igzo、zno、sno2、in2o3和ga2o
3，
中的任意一种。5.如权利要求1所述的全氧化物的透明光电忆阻器，其特征在于：所述透明上电极层的材料采用ito、fto、zno和in2o3中的任意一种。6.如权利要求1所述的全氧化物的透明光电忆阻器，其特征在于：所述透明下电极层的厚度可为10-200nm；所述透明存储层的厚度可为10-50nm；所述透明上电极层的厚度可为10-100nm。7.如权利要求1至6任一一项所述的全氧化物的透明光电忆阻器，其特征在于：所述透明基底的材料为ito玻璃；所述透明下电极层的材料为ito；所述透明存储层的材料为igzo；所述透明上电极层的材料为in2o3；所述透明下电极的厚度为200nm；所述透明存储层的厚度为14nm；所述透明上电极层的厚度为40nm。8.一种如权利要求1至7任一一项所述的全氧化物的透明光电忆阻器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)选取ito导电玻璃作为透明基底，然后对透明基底进行清洗，并把ito导电玻璃上的ito材料作为透明下电极层；(2)利用磁控溅射的方法在透明下电极层的表面上沉积igzo薄膜作为透明存储层；(3)利用磁控溅射的方法在透明存储层的表面上沉积in2o3薄膜作为透明上电极层。9.如权利要求8所述的全氧化物的透明光电忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中清洗透明基底的具体过程为：依次使用玻璃洗涤剂、无水乙醇和去离子水分别超声清洗15min，然后用氮气吹干。10.如权利要求8所述的全氧化物的透明光电忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)具体过程为：对磁控溅射设备的靶材即igzo陶瓷靶进行溅射，溅射时工作压强为1pa、溅射功率为30w，ar与o2的流量比为30：3sccm，时间为25min。11.如权利要求8所述的全氧化物的透明光电忆阻器的制备方法，其特征在于,所述步骤(3)的具体过程为：对in金属靶材进行溅射，溅射时工作压强为1pa、溅射功率为10w，ar与o2的流量比为30：10sccm，时间为25min。

技术总结
本发明提供了一种全氧化物的透明光电忆阻器及其制备方法，该透明光电忆阻器包括透明基底、设置在透明基底上部的透明下电极层、设置在透明下电极层上部的透明存储层以及设置在透明存储层上部的透明上电极层。该制备方法包括：(1)选取ITO导电玻璃作为透明基底，然后对透明基底进行清洗，并把ITO导电玻璃上的ITO材料作为透明下电极层；(2)利用磁控溅射的方法在ITO导电玻璃表面上沉积IGZO薄膜作为透明存储层；(3)利用磁控溅射的方法在IGZO薄膜表面上沉积In2O3薄膜作为透明上电极层。本发明构思合理，具有非易失性、透明、功耗低、成本低廉、能实现多功能化等优点。能实现多功能化等优点。能实现多功能化等优点。


技术研发人员：李佳诚 王业亮 马远骁
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/13