一种双向阻变互补自选择忆阻器及其交叉阵列

本发明涉及半导体器件及非易失性存储，尤其涉及一种双向阻变互补自选择忆阻器及其交叉阵列。

背景技术：

1、随着人工智能、神经形态计算等数据密集型应用的发展，传统冯·诺依曼计算架构中存储单元与计算单元相互分离，数据需要在二者之间频繁传输，容易形成存储带宽和数据搬运方面的瓶颈。存算一体技术通过在存储阵列中直接完成部分计算，可减少数据传输开销。忆阻器具有非易失性、阻态可调以及易于构成交叉阵列等特点，利用忆阻器交叉阵列中电导与输入电压之间的关系，可以并行实现乘累加运算，因而被用于构建存算一体及神经形态计算硬件。

2、现有忆阻器交叉阵列通常包括相互交叉设置的多条字线和位线，并在字线与位线的交叉位置设置忆阻器单元。在对选定忆阻器单元进行编程或读取时，与选定单元共用字线或位线的其他单元可能处于半选状态，电流还可能经由多个非选定单元形成非预期导电路径。为限制上述非选定路径中的电流，一些现有方案在每个忆阻器单元中串联设置选通器件，例如采用一个晶体管与一个忆阻器构成的1t1r结构、一个二极管与一个忆阻器构成的1d1r结构，或者一个选通器与一个忆阻器构成的1s1r结构。此外，在基于忆阻器构建的神经形态存算系统中，为实现正、负有符号突触权重，现有常用方案采用两个独立忆阻器分别存储正向权重分量与负向权重分量，将二者电导差值作为等效突触权重，典型实现方式为利用双器件差分结构完成两路电导的读出与差分运算。然而两套独立器件各自存在电导漂移、随机起伏，器件间参数失配与漂移差异会持续引入权重误差，严重降低计算精度。

3、在上述阵列串扰抑制方案中，由于独立选通器件与忆阻器串联设置，每个交叉位置除忆阻器外还需要配置额外器件及相应连接结构，由此会增加单元占用面积、制备步骤和阵列驱动复杂度，不利于进一步提高无源交叉阵列的集成密度。在上述有符号权重表示方案中，由于一个权重需要由两个相互独立的忆阻器共同表示，不仅会增加忆阻器数量及阵列布线资源，而且两器件在初始电导、阻态调节特性及随时间变化的电导漂移方面可能存在差异，该差异会直接反映在两路电导的差值中，并形成权重表示误差；同时，对两个器件分别进行编程、读取及差分处理，也会增加外围控制和读取电路的负担。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种双向阻变互补自选择忆阻器及其交叉阵列，旨在通过构建具有不对称界面势垒和高介电常数阻变势垒层的双向阻变互补自选择忆阻器，解决现有忆阻器交叉阵列依赖独立选通器件抑制半选串扰以及采用双器件差分结构表示有符号权重的问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案为：

3、在本发明的第一方面，提供一种双向阻变互补自选择忆阻器，包括沿层叠方向依次设置的第一电极层、第一半导体功能层、高介电常数阻变势垒层、第二半导体功能层和第二电极层；

4、所述第一电极层与所述第一半导体功能层形成第一界面势垒，所述第二电极层与所述第二半导体功能层形成第二界面势垒，所述第一电极层与所述第二电极层具有不同的功函数，且所述第一界面势垒与所述第二界面势垒不对称；

5、所述第一界面势垒、所述第二界面势垒和所述高介电常数阻变势垒层共同使忆阻器在第一电极层相对于第二电极层为正电位的正向编程电压作用下形成正向低阻态，在第一电极层相对于第二电极层为负电位的负向编程电压作用下形成负向低阻态；

6、在所述正向低阻态下，忆阻器的优势导电方向为正向，在所述负向低阻态下，忆阻器的优势导电方向为负向，并使忆阻器在半选电压作用下呈高阻状态。

7、优选的，所述第一电极层和所述第二电极层中的一者为惰性金属电极层，另一者为金属或合金电极层。

8、优选的，所述高介电常数阻变势垒层为绝缘或半绝缘介质层，用于形成载流子输运势垒；所述载流子输运势垒在半选电压作用下限制载流子输运，在编程电压作用下产生场辅助载流子输运。

9、优选的，所述第一半导体功能层和所述第二半导体功能层均为含有缺陷的宽禁带半导体氧化物层，所述缺陷用于调控相应界面处的载流子注入和载流子输运。

10、优选的，所述宽禁带半导体氧化物层中的缺陷包括氧空位和晶格缺陷中的至少一种。

11、优选的，将所述第一电极层相对于所述第二电极层为正电位的读取电压定义为正向读取电压，将所述第一电极层相对于所述第二电极层为负电位的读取电压定义为负向读取电压；忆阻器在所述正向读取电压下的电导为正向电导，在所述负向读取电压下的电导为负向电导；

12、在正向低阻态下，正向电导大于负向电导；在负向低阻态下，负向电导大于正向电导。

13、优选的，所述正向电导和所述负向电导中的至少一者能够在编程脉冲序列作用下被调节至多个电导值，以调节所述正向电导与所述负向电导的差值；所述差值用于表征有符号权重。

14、在本发明的另一方面，提供一种双向阻变互补自选择忆阻器交叉阵列，包括多条第一导线、多条第二导线和分别设置于各所述第一导线与各所述第二导线的交叉位置处的多个忆阻器单元；

15、每个所述忆阻器单元为双向阻变互补自选择忆阻器，所述忆阻器单元的第一电极层和第二电极层分别与对应的第一导线和第二导线电连接，且每个所述忆阻器单元均不与独立选通器件串联。

16、优选的，将第一电极层相对于第二电极层为正电位的读取电压定义为正向读取电压，将第一电极层相对于第二电极层为负电位的读取电压定义为负向读取电压；每个忆阻器单元在所述正向读取电压和所述负向读取电压下分别具有正向电导和负向电导，所述正向电导与所述负向电导之差用于表征有符号权重。

17、优选的，在对选定的忆阻器单元进行编程或读取时，使选定的忆阻器单元两端承受全选电压，使与选定的忆阻器单元共用所述第一导线或所述第二导线的非选定忆阻器单元两端承受半选电压；

18、所述半选电压的绝对值低于与其极性对应的阻态切换阈值电压的绝对值。

19、本发明的有益效果是：

20、1、本发明通过设置功函数不同的第一电极层和第二电极层，并形成不对称界面势垒，结合高介电常数阻变势垒层在半选电压下限制载流子输运，从而使半选忆阻器单元保持高阻状态，能够抑制阵列漏电流和串扰电流。

21、2、本发明通过使忆阻器自身具有半选高阻特性，使交叉阵列中的忆阻器单元无需串联独立选通器件，从而减少器件数量、简化阵列结构并提高集成密度。

22、3、本发明通过在极性相反的编程电压作用下形成优势导电方向相反的正向低阻态和负向低阻态，并利用正向电导与负向电导的差值表征有符号权重，从而达到由单个忆阻器存储有符号权重、减少忆阻器数量及外围控制资源的效果。

23、4、本发明通过编程脉冲序列将正向电导和负向电导中的至少一者调节至多个电导值，从而调节两者的电导差，实现多级有符号权重调控并减小双器件参数差异影响。

1.一种双向阻变互补自选择忆阻器，其特征在于，包括沿层叠方向依次设置的第一电极层、第一半导体功能层、高介电常数阻变势垒层、第二半导体功能层和第二电极层；

2.根据权利要求1所述的双向阻变互补自选择忆阻器，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层中的一者为惰性金属电极层，另一者为金属或合金电极层。

3.根据权利要求1所述的双向阻变互补自选择忆阻器，其特征在于，所述高介电常数阻变势垒层为绝缘或半绝缘介质层，用于形成载流子输运势垒；所述载流子输运势垒在半选电压作用下限制载流子输运，在编程电压作用下产生场辅助载流子输运。

4.根据权利要求1所述的双向阻变互补自选择忆阻器，其特征在于，所述第一半导体功能层和所述第二半导体功能层均为含有缺陷的宽禁带半导体氧化物层，所述缺陷用于调控相应界面处的载流子注入和载流子输运。

5.根据权利要求4所述的双向阻变互补自选择忆阻器，其特征在于，所述宽禁带半导体氧化物层中的缺陷包括氧空位和晶格缺陷中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的双向阻变互补自选择忆阻器，其特征在于，将所述第一电极层相对于所述第二电极层为正电位的读取电压定义为正向读取电压，将所述第一电极层相对于所述第二电极层为负电位的读取电压定义为负向读取电压；忆阻器在所述正向读取电压下的电导为正向电导，在所述负向读取电压下的电导为负向电导；

7.根据权利要求6所述的双向阻变互补自选择忆阻器，其特征在于，所述正向电导和所述负向电导中的至少一者能够在编程脉冲序列作用下被调节至多个电导值，以调节所述正向电导与所述负向电导的差值；所述差值用于表征有符号权重。

8.一种双向阻变互补自选择忆阻器交叉阵列，其特征在于，包括多条第一导线、多条第二导线和分别设置于各所述第一导线与各所述第二导线的交叉位置处的多个忆阻器单元；

9.根据权利要求8所述的双向阻变互补自选择忆阻器交叉阵列，其特征在于，将第一电极层相对于第二电极层为正电位的读取电压定义为正向读取电压，将第一电极层相对于第二电极层为负电位的读取电压定义为负向读取电压；每个忆阻器单元在所述正向读取电压和所述负向读取电压下分别具有正向电导和负向电导，所述正向电导与所述负向电导之差用于表征有符号权重。

10.根据权利要求8所述的双向阻变互补自选择忆阻器交叉阵列，其特征在于，在对选定的忆阻器单元进行编程或读取时，使选定的忆阻器单元两端承受全选电压，使与选定的忆阻器单元共用所述第一导线或所述第二导线的非选定忆阻器单元两端承受半选电压；