忆阻器、制备方法及全忆阻器基的神经形态计算芯片与流程

1.本公开涉及动力学系统控制技术领域，特别涉及一种忆阻器、制备方法及全忆阻器基的神经形态计算芯片。


背景技术：

2.神经形态计算是一种高能效、高并行度的计算模式，是人工智能发展的重要推动力。构建神经形态计算芯片的基础是实现电子突触和神经元。忆阻器具有可高密度集成、功耗低、电导可调的特点，是可以实现电子突触功能的新型神经形态器件。忆阻器基神经形态计算芯片具有体积小，功耗低、并行度高的特点，但是目前电子突触和神经元中一般都是两种器件结构形成的，增大了大规模集成的难度，因此没有cmos工艺集成的忆阻器基神经形态计算芯片问世。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.鉴于上述问题，本公开的主要目的在于提供一种忆阻器、制备方法及全忆阻器基的神经形态计算芯片，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
5.(二)技术方案
6.根据本公开的一个方面，提供了一种忆阻器，包括：下电极层、位于所述下电极层上的功能层、位于所述功能层上的势垒层及位于所述势垒层上的上电极层；其中，所述功能层为阻变层。
7.进一步的，还包括位于所述势垒层和所述上电极层之间的插层。
8.进一步的，所述下电极层的材质为tin，采用磁控溅射形成；所述功能层的材质为ta2o5，采用反应溅射形成；所述势垒层的材质为tao
x
；所述插层的材质为金属、金属氧化物、非晶硅、非晶c或石墨烯；所述上电极层的材质为ir、al，ru，pd，tin，tan。
9.进一步的，所述势垒层tao
x
的电阻率介于6mω/cm～20mω/cm2之间。
10.进一步的，通过调制所述功能层的电阻值实现所述忆阻器的电阻态的变化，通过在势垒层中形成不稳定细丝及所述不稳定细丝的断裂实现反向阈值转变特性
11.根据本公开的另一个方面，提供了一种全忆阻器基的神经形态计算芯片，其包括所述的忆阻器，通过所述忆阻器的阈值转变实现突触的矩阵操作和神经元的脉冲操作。
12.根据本公开的又一个方面，提供了一种忆阻器的制备方法，包括：
13.在衬底上形成下电极层；
14.在所述下电极层上形成功能层；
15.在所述功能层上形成势垒层；及
16.在所述势垒层上形成上电极层；
17.其中，所述功能层为阻变层。
18.进一步的，在所述势垒层上形成上电极层之前，还包括：在所述势垒层上形成插
层。
19.进一步的，采用磁控溅射工艺在所述衬底上形成tin下电极层；
20.采用反应溅射工艺在所述tin下电极层上形成ta2o5功能层；
21.在所述ta2o5功能层上形成tao
x
势垒层，所述tao
x
势垒层的电阻率在6mω/cm～20mω/cm2之间。
22.(三)有益效果
23.从上述技术方案可以看出，本公开一种忆阻器、制备方法及全忆阻器基的神经形态计算芯片至少具有以下有益效果其中之一：
24.(1)本公开在功能层和上电极之间增加一层势垒层，由此，可以通过精确调制该功能层的电阻值，使该器件在施加的擦除电压时，当器件上电压逐渐增大时，在势垒层中形成不稳定细丝，实现阈值转变的功能。
25.(2)本公开忆阻器在功能层和上电极之间增加一层势垒层，能够同时实现突触的矩阵操作和神经元的脉冲操作，由此可以用于实现全忆阻器基的神经形态计算芯片。
附图说明
26.构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
27.图1为本公开忆阻器结构示意图。
28.图2为本公开忆阻器的基本iv特性曲线图。
29.图3为本公开忆阻器实现电子突触功能示意图。
30.图4为本公开忆阻器实现神经元功能示意图。
31.图5为本公开忆阻器基神经形态系统硬件原理图。
具体实施方式
32.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
33.本公开提出一种忆阻器，包括：下电极层、位于所述下电极层上的功能层、位于所述功能层上的势垒层及位于所述势垒层上的上电极层；其中，所述功能层为阻变层。在此基础上，本公开还提出一种全忆阻器基的神经形态计算芯片，其包括所述的忆阻器，通过所述忆阻器的阈值转变实现突触的矩阵操作和神经元的脉冲操作。
34.此外，本公开还提出一种忆阻器的制备方法，包括：
35.在衬底上形成下电极层；
36.在所述下电极层上形成功能层；
37.在所述功能层上形成势垒层；及
38.在所述势垒层上形成上电极层；其中，所述功能层为阻变层。
39.本公开忆阻器、制备方法及全忆阻器基的神经形态计算芯片，在功能层和上电极之间增加一层势垒层，通过精确调制该功能层的电阻值，使该器件在施加的擦除电压时，当器件上电压逐渐增大时，在势垒层中形成不稳定细丝，实现阈值转变的功能。由此，可以同时实现突触的矩阵操作和神经元的脉冲操作，可以用于实现全忆阻器基的神经形态计算芯
片。
40.下面结合附图1-5详细介绍本公开实施例。
41.请参照图1所示，本实施例忆阻器的制备流程具体包括以下步骤：
42.步骤1：在衬底上采用磁控溅射的方法制备tin下电极层；
43.步骤2：在tin下电极层上制备ta2o5阻变层，采用反应溅射的方法制备，衬底温度为室温，o/ar流量比为12sccm：50sccm，功率为400w，气压＝3mtorr；
44.步骤3：在ta2o5阻变层上制备tao
x
势垒层，tao
x
的电阻率需要控制在6mω/cm～20mω/cm2；
45.步骤4：在tao
x
势垒层上方形成插层，插层材料可以为金属，如ta、ti等，也可以为半导体材料，如金属氧化物，非晶硅，非晶c，石墨烯等；
46.步骤4：在插层上形成上电极层，上电极材料不受限制，可以是ir、al，ru，pd，tin，tan等。
47.其中，功能层和势垒层分别是ta2o5和tao
x
，tao
x
的电阻率控制在6mω/cm～20mω/cm，此时，tao
x
的晶格结构处于临界状态。
48.所述忆阻器的标准的iv特性曲线如图2所示，该器件具有典型的存储功能，在正向施加电压，器件写入信息，在反向施加电压，器件信息擦除。利用不同的限制电流，可以调节器件的电导，实现权值调制的目的。
49.在对器件进行擦除操作时，tao
x
器件开始表现为半导体特性，当器件中电流逐渐增大时，tao
x
中由于热电子激发形成不稳定的细丝，器件电流突然增大。撤掉电压时，不稳定的导电细丝断裂，器件的高导通状态消失，恢复到高阻态。因此，忆阻器高阻态中具有明显的阈值转变特性，利用该性能，可以实现神经元的积分发射功能。因此，利用该忆阻器可以在同一个材料体系中同时实现突触的矩阵操作和神经元的脉冲操作。
50.采用该忆阻器，可以在同一器件上实现电子突触功能和电子神经元的功能。
51.如图3所示，对该电子器件连续施加编程电压，其电导率随脉冲个数的增加逐渐增加，即长时程增强。对该器件连续施加擦除电压，其电导率随脉冲个数的增加逐减小，即长时程抑制。由此，该器件可以模拟脑内的突触可塑性调节功能。
52.根据本公开的实施例，提出一种神经元电路，包括所述忆阻器。如图4所示，采用该忆阻器可以构成神经元电路，完成聚合电流的积分，实现神经元电路的积分触发功能。即对器件连续施加脉冲之后，器件内能量逐渐积聚，当达到热电子激发阈值时，器件阻值发生改变，向外传递信号。之后，信号会逐渐衰减，再进行下一次积累。这是实现了神经元的积分发射功能。
53.该忆阻器采用的材料体系是cmos兼容的，器件结构简单，易于集成。
54.采用该忆阻器可以实现突触的矩阵操作，也可以实现神经元的脉冲操作，易于构建具有原位计算和学习功能的高密度、大规模神经形态芯片。在该芯片中，所有前神经元的脉冲信号输入到阵列中，流过忆阻器突触器件的电流作为加权后的值在后神经元的输入端积累求和。
55.需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更
改或替换。
56.当然，根据实际需要，本公开还可以包含其他的部分，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。
57.类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
58.本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
59.本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(dsp)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
60.再者，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。
61.此外，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。说明书中示例的各个实施例中的技术特征在无冲突的前提下可以进行自由组合形成新的方案，另外每个权利要求可以单独作为一个实施例或者各个权利要求中的技术特征可以进行组合作为新的实施例，且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
62.除非存在技术障碍或矛盾，本公开的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。
63.虽然结合附图对本公开进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本公开优选
实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本公开的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本公开的限制。
64.虽然本公开总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体公开构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本公开的范围以权利要求和它们的等同物限定。
65.以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。