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本發(fā)明屬于半導(dǎo)體微電子器件與人工智能的交叉領(lǐng)域，具體涉及一種模擬神經(jīng)突觸和傷害感受器的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜憶阻器及其制備方法。
背景技術(shù)：
1、隨著神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的迅速發(fā)展，突破傳統(tǒng)存儲(chǔ)與計(jì)算解耦架構(gòu)中固有的馮諾伊曼瓶頸成為可能。在多種神經(jīng)形態(tài)架構(gòu)中，基于憶阻器的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ann）由于其制造工藝簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)速度快以及與cmos技術(shù)的良好兼容性，成為神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域的有力競(jìng)爭(zhēng)者。憶阻器可分為易失性和非易失性兩種類型，主要區(qū)別在于去除外加電壓后器件是否能夠保留記憶信息。與非易失性憶阻器相比，易失性憶阻器具有兩個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：首先，易失性憶阻器通過(guò)電流衰減與飽和來(lái)模擬短期記憶（stm）與長(zhǎng)期記憶（ltm），進(jìn)而模擬大腦神經(jīng)活動(dòng)的特性；其次，易失性憶阻器在施加適當(dāng)?shù)拈撝惦妷汉?，能夠有效觸發(fā)電導(dǎo)變化，從而在傷害感受器和真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器等應(yīng)用中展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。然而，新興的研究主要集中在無(wú)機(jī)氧化物基易失性憶阻器上，關(guān)于基于無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜的易失性憶阻器鮮有人研究。
2、憶阻器模擬神經(jīng)突觸需要其具有非線性電阻特性，而模擬傷害感受器需要其是揮發(fā)性的，并且具有多級(jí)電導(dǎo)態(tài)。為了提升易失性憶阻器的存儲(chǔ)性能，并實(shí)現(xiàn)類神經(jīng)突觸與類傷害感受器的雙重功能，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新材料體系顯得尤為關(guān)鍵。由于憶阻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，許多研究集中于通過(guò)改進(jìn)器件設(shè)計(jì)來(lái)提升其存儲(chǔ)性能。例如，采用雙層結(jié)構(gòu)可以有效控制氧空位的濃度梯度，從而穩(wěn)定導(dǎo)電細(xì)絲的形成與斷裂，進(jìn)而提高器件的耐久性與可重復(fù)性。此外，無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化材料因其豐富的物理化學(xué)特性、可調(diào)結(jié)構(gòu)與靈活性能，在作為憶阻器功能層時(shí)，能夠?yàn)樯窠?jīng)突觸與傷害感受器的模擬提供良好的基礎(chǔ)。然而，目前常見(jiàn)的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化材料的制備方法，如溶膠-凝膠法、水熱合成法、共混法、插層復(fù)合法以及l(fā)b膜法等，存在均勻性差和難以與cmos工藝兼容的問(wèn)題。原子層沉積（ald）技術(shù)具備自限制性和自飽和特性，可以在大面積上實(shí)現(xiàn)高均勻性和復(fù)雜三維表面共形性的薄膜沉積。作為ald的一個(gè)分支，分子層沉積（mld）能夠使用有機(jī)分子作為前驅(qū)體沉積聚合物或無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化材料，作為憶阻器的功能層。然而，基于mld技術(shù)制備易失性憶阻器的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜的研究極其缺乏。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明提供一種模擬神經(jīng)突觸和傷害感受器的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜憶阻器及其制備方法，通過(guò)采用mld/ald（分子層/原子層沉積）技術(shù)，以較低的溫度制備易失性憶阻器，制備得到的易失性憶阻器具有優(yōu)良的神經(jīng)突觸仿生功能及傷害感受器特性。
2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
3、一種模擬神經(jīng)突觸和傷害感受器的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜憶阻器，所述無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜憶阻器為易失性憶阻器，包括：從下至上依次為襯底、底電極、阻變功能層和頂電極；所述阻變功能層由無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜與金屬氧化物薄膜組成的雙層結(jié)構(gòu)；所述無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜為鈦基馬來(lái)酸材料；所述金屬氧化物薄膜為al2o3；
4、其中，所述無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜的厚度為5-30?nm，所述金屬氧化物薄膜的厚度為2-20?nm；所述底電極和頂電極分別為tin和pt，襯底為半導(dǎo)體或絕緣體。
5、上述憶阻器的制備方法包括以下步驟：
6、步驟一、在襯底上制備底電極；
7、步驟二、在底電極上，通過(guò)mld技術(shù)在140-280℃內(nèi)生長(zhǎng)鈦基馬來(lái)酸雜化薄膜；接著利用熱ald技術(shù)在80-300℃內(nèi)在鈦基馬來(lái)酸雜化薄膜上沉積al2o3薄膜，形成無(wú)機(jī)-有機(jī)/無(wú)機(jī)雙層堆棧結(jié)構(gòu)的阻變功能層；
8、步驟三、在阻變功能層上制備頂電極，最終得到模擬神經(jīng)突觸和傷害感受器的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜易失性憶阻器。
9、以上所述步驟中，mld技術(shù)循環(huán)脈沖參數(shù)設(shè)置為0.3s?ticl4/4s?n2/2s?ma/10s?n2，循環(huán)次數(shù)根據(jù)所需厚度確定；ald技術(shù)順序脈沖為0.1s?tma/4s?n2/0.1s?h2o/4s?n2。
10、有益效果：本發(fā)明提供了一種模擬神經(jīng)突觸和傷害感受器的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜憶阻器及其制備方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)勢(shì)：
11、1、本發(fā)明制備了易失性的憶阻器，其所使用的材料體系是tin和pt作為底/頂電極，ti-ma/al2o3為功能層，由于ti-ma中氧空位的濃度高于al2o3，這種差異在雙層結(jié)構(gòu)中形成了氧空位的濃度梯度，從而促進(jìn)了氧空位的遷移，在施加負(fù)偏壓時(shí)，氧離子向吸氧的tin電極遷移，形成tioxn1-x層，防止氧氣釋放損壞器件；在負(fù)電壓下，tin作為儲(chǔ)氧層確保了導(dǎo)電細(xì)絲的穩(wěn)定性，器件也從hrs轉(zhuǎn)換為lrs；相反施加正偏壓會(huì)導(dǎo)致氧離子從tin電極釋放到al2o3和ti-ma中以填補(bǔ)氧空位，導(dǎo)電細(xì)絲斷裂，器件從lrs轉(zhuǎn)換回hrs。在沒(méi)有外部電壓的情況下，氧空位會(huì)自然擴(kuò)散，導(dǎo)致導(dǎo)電絲自發(fā)斷裂，器件恢復(fù)到其hrs狀態(tài)；實(shí)現(xiàn)了類神經(jīng)突觸與類傷害感受器模擬的雙重功能；
12、2、本發(fā)明的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜易失性憶阻器能夠成功模擬神經(jīng)突觸的關(guān)鍵功能，包括成對(duì)脈沖易化（ppf）、強(qiáng)直后增強(qiáng)（ptp）、短時(shí)程可塑性（stp）向長(zhǎng)時(shí)程可塑性（ltp）的轉(zhuǎn)變、長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)/抑制（ltp/ltd）、學(xué)習(xí)與遺忘再學(xué)習(xí)、經(jīng)典條件反射以及尖峰時(shí)間依賴可塑性（stdp）；
13、3、本發(fā)明的易失性憶阻器還能夠模擬類傷害感受器的重要特性，包括閾值行為、弛豫過(guò)程、無(wú)適應(yīng)特性、致敏特性（如痛覺(jué)過(guò)敏和異常性疼痛）以及恢復(fù)過(guò)程；
14、4、采用mld制備無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜，可實(shí)現(xiàn)分子級(jí)復(fù)合，兼具無(wú)機(jī)和有機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn)；ald技術(shù)制備的金屬氧化物薄膜與無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜復(fù)合，展現(xiàn)出優(yōu)異的阻變性能，整個(gè)制備過(guò)程可在80-200℃的溫度范圍內(nèi)完成，與微電子工藝高度兼容，適合大規(guī)模集成；
15、5、通過(guò)創(chuàng)新的阻變功能層材料選擇，拓寬了無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化材料在傷害感受器中的應(yīng)用潛力，所述雜化材料具有較好的可設(shè)計(jì)性與加工性，未來(lái)可廣泛應(yīng)用于智能檢測(cè)設(shè)備和仿生機(jī)器人等領(lǐng)域，展現(xiàn)出廣闊的市場(chǎng)前景。
1.一種模擬神經(jīng)突觸和傷害感受器的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜憶阻器，其特征在于，所述無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜憶阻器為易失性憶阻器，包括：從下至上依次為襯底、底電極、阻變功能層和頂電極；所述阻變功能層由無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜與金屬氧化物薄膜組成的雙層結(jié)構(gòu)；所述無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜為鈦基馬來(lái)酸材料；所述金屬氧化物薄膜為al2o3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬神經(jīng)突觸和傷害感受器的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜憶阻器，其特征在于，所述無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜的厚度為5-30?nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模擬神經(jīng)突觸和傷害感受器的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜憶阻器，其特征在于，所述金屬氧化物薄膜的厚度為2-20?nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬神經(jīng)突觸和傷害感受器的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜憶阻器，其特征在于，所述底電極和頂電極分別為tin和pt。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬神經(jīng)突觸和傷害感受器的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜憶阻器，其特征在于，所述襯底為半導(dǎo)體或絕緣體。
6.一種模擬神經(jīng)突觸和傷害感受器的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜憶阻器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的模擬神經(jīng)突觸和傷害感受器的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜憶阻器的制備方法，其特征在于，mld技術(shù)生長(zhǎng)鈦基馬來(lái)酸雜化薄膜的溫度為140℃-280℃。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的模擬神經(jīng)突觸和傷害感受器的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜憶阻器的制備方法，其特征在于，mld技術(shù)循環(huán)脈沖參數(shù)設(shè)置為0.3s?ticl4/4s?n2/2s?ma/10s?n2。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的模擬神經(jīng)突觸和傷害感受器的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜憶阻器的制備方法，其特征在于，熱ald技術(shù)在鈦基馬來(lái)酸雜化薄膜上沉積al2o3薄膜的溫度為80-300℃。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或9所述的模擬神經(jīng)突觸和傷害感受器的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化薄膜憶阻器的制備方法，其特征在于，ald技術(shù)順序脈沖為0.1s?tma/4s?n2/0.1s?h2o/4s?n2。