一种基于超薄铁电薄膜的铁电光伏忆阻器

1.本发明涉及半导体信息计算处理器件领域，具体为以铁电光伏效应为基础，借助激光脉冲沉积技术生长的光电神经突触忆阻元器件。


背景技术：

2.近年来，为满足对多功能（高灵信息处理速度、高信号放大倍数、高响应带宽宽度）光电探测器件和高性能（低能耗、高存储密度、高读写速度、类脑计算）电子功能器件的需求，铁电材料逐渐成为各个科研机构追捧的热点材料。在当今信息化快速发展的时代，集成电路技术已经成为整个信息技术与信息社会的核心基础。然而由于“玻尔兹曼tyranny”的功耗限制和集成电路工艺逐渐趋近材料物理极限，随着社会信息化程度的逐渐提高，传统的coms逻辑电路的计算硬件已经无法满足现代大数据处理与人工智能计算的需求。因此，发展下一代新型信息处理器件，打破“摩尔定律”发展困境，成为信息电子器件领域最为重要的问题。
3.忆阻器，由加州大学蔡少棠教授于1971首次提出，是一种并列于电阻、电感和电容之外的第四种基本电子器件。自2008年惠普实验室首次发现并制备以二氧化钛材料为基础，具有忆阻特性的元器件后，忆阻器迅速在科学领域与先进制造业领域快速发展。忆阻器凭借其简单的结构、较低功耗、高存储密度以及具有人脑仿生学特性等优点，成为半导体制造、类脑仿生，以及材料领域的研究热点。铁电忆阻器依托于铁电材料中强大的退极化场，通过施加电场控制薄膜材料中的退极化场的方向，从而控制核心材料中地载流子的移动方向和载流子界面势垒。这种通过施加电场来控制薄膜不同方向电导率的特性赋予了铁电忆阻器的基本忆阻特性，这使的铁电忆阻器成为忆阻器研究领域一个非常重要分支。
4.常规的完全电信号神经突触铁电忆阻器完全依赖于电信号处理，这将使器件无法打破传统电信号处理器件功耗墙，受限于发热和功耗，无法实现低功耗的大面积集成和高数据量的并行运算，这大大降低了类脑元器件的数据量处理能力和数据处理速度。本项发明设计思路摒弃了电信号写入和电信号读取的单一工作机制，进而转为电信号写入和光电信号读取的设计理念，并利用激光脉冲沉积技术优化器件结构，在保证电信号写入速度的前提下，实现光电信号的读取。这种电信号写入-光电信号读取的特殊方式将有效提高忆阻器数据读取的速度和数据读取带宽，并且降低读取功耗和发热。此项发明为拓展开发下一代数据处理设备提供了一种全新的设计思路。


技术实现要素：

5.根据现阶段忆阻器的功能需求，在保证单个元器件的忆阻特性的基础上，需要尽量减小器件结构的复杂性，简化器件结构，从而能够减小整个器件的大小，便于集成来提高整个集成电路的数据处理能力。此外还需要满足低功耗要求。优化器件结构是降低功耗最直接的手段，但从原理出发，重写考虑设计思路是解决玻尔兹曼功耗限制最直接的手段。
6.为实现上述目的，本发明采用以下设计方案来优化器件结构和功耗：
第一方面，为尽量优化器件结构，我们采用简单的底电极/功能铁电层/底电极的三明治结构来减小元器件结构。同时，借助激光脉冲沉积技术在底电极上外延生长铁电功能层和顶电极来提高晶体薄膜的整体质量来减小漏电，优化功耗。
7.进一步的，用于薄膜生长的底电极衬底主要是采用导电性优良的单一取向的单晶衬底，本发明主要采用单一取向的单晶掺铌钛酸锶。在进行生长之前，对底电极衬底进行抛光处理使其切割错切角小于0.3
°
来满足外延生长条件。此外也可以采用其他导电衬底或者制备导电薄膜作为底电极，如钌酸锶薄膜和镧锶锰氧薄膜等薄膜。
8.进一步的，采用激光脉冲沉积系统在掺铌的钛酸锶衬底上生长约为100 nm厚的铁酸铋薄膜。此薄膜不限于铁酸铋薄膜，如钛酸铅等铁电薄膜也可以满足其器件条件。
9.进一步的，铁酸铋薄膜必须经过一个大气压的氧压下原位原温度退火。
10.进一步的，对金属掩模版进行钻孔，使其掩模版均匀排列直径为30 μm的小孔。
11.进一步的，在生长好后的铁酸铋薄膜上覆盖掩模版来实现微区电极的搭建。
12.进一步的，通过掩模版在铁酸铋薄膜上生长200 nm厚的铝掺杂的氧化锌薄膜充当顶电极，可以在5
×
5 mm的区域集成大约16个电极，借助光刻设备可以继续增加顶电极数量，实现大面积集成，而顶电极集成度就是忆阻器的集成度。
13.进一步的，掺铝的氧化锌薄膜必须经过一个大气压的氧压下原位原温度退火。同样，如果采用蒸镀或者溅射金属电极也可以实现类似功能，但要保证电极的透光性良好。
14.本发明提供了一种小电流编译与写入，光照-光电流读取的全新工作机制，具体实施机制如下：在保证顶电极氧化锌吸光系数较小的情况下，将底电极与顶电极串联至电压电流源、锁相放大器、电压电流表。通过对器件施加方块波等脉冲电压实现忆阻元器件的电荷编译。此外，也可以调整输入信号的频率、振幅和波形来调整输入信号实现不同忆阻信号的编译。另一方面，在忆阻信号读取方面，忆阻器件采用光照-光伏响应信号的读取方式。在器件上辐照一个太阳的模拟光，利用铁电光伏效应即可以产生光电信号，电压电流表将迅速读取光电信号响应。铁电光伏响应的信号强度将完全依赖于电子信号的输入，这实现了忆阻特性的输入和输出。
15.本发明与现有技术相比，主要优点包括：（1）铁酸铋薄膜光电忆阻器具有结构简单的优势，通过简单的三层结构就可以实现光电忆阻特性。
16.（2）铁酸铋薄膜光电忆阻器具有与场效应管相同的电信号输入条件，便于信号输入和与已有集成电路设备的兼容。
17.（3）铁酸铋薄膜光电忆阻器只需要加装简单的光源设备就可以实现忆阻信号的读取，而写不需要电信号串行激励，读取过程是一种有源设备，从根本上消除了串行读取带来的发热严重、功耗较大和读取速度较慢的问题。
18.（4）此外铁酸铋薄膜光电忆阻器完全符合“放电时需依赖性”特征，能够实现模拟人脑神经突触功能。
附图说明
19.图1为生长铁酸铋薄膜扫描电子显微镜表面形貌。
20.图2为搭建器件的真实形貌图。
21.图3为本发明实施中所采用的光电忆阻器结构示意图，其中以此为底电极衬底、中间铁电光电功能层、顶电极、外部测试系统和激发光源。
22.图4为钛酸锶底电极与铁酸铋薄膜的x射线衍射图2θ扫描图。
23.图5为钛酸锶底电极和铁酸铋薄膜的外延关系x射线衍射图
ϕ
扫描图。
24.图6为验证忆阻器件对于电信号写入的反应所产生的捏滞曲线。
25.图7为采用不同电压信号写入后的光伏信号放电时需依赖性曲线。
26.具体实施措施下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明设计思路与具体实施方法。应在注意的是，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照行业常规条件操作，或按照具体适用条件进行。
27.本发明铁电忆阻器结构示意图如图2所示，自下而上依次为导电钛酸锶衬底、中间铁电电极层和氧化锌顶电极。具体器件工作条件为光照透过氧化锌顶电极照射至铁酸铋薄膜层产生光伏效应。信号均通过顶电极和底电极向外输入与输出。
28.实施例1实施例1为最基本的器件结构，其结构包括底电极导电衬底、铁电功能层和顶电极。所述中导电衬底选用掺铌的钛酸锶（nb-srtio3）衬底，在保证导电性的基础上厚度可以不做规定。铁电功能层为厚度为100 nm的铁酸铋（bifeo3）薄膜。底电极选用厚度为200nm以上的掺铝的氧化锌（al-azo）电极，并且在保证导电性和透光性的基础上厚度不做规定，本发明中借助激光脉冲沉积技术制备忆阻器的具体方法如下：（1）用于薄膜生长的底电极衬底主要是采用导电性优良的单一取向的单晶衬底，本发明主要采用（001）取向的单晶掺铌钛酸锶。将衬底抛光使衬底的miscut小于0.3
°
来满足薄膜外延要求.（2）利用激光脉冲沉积技术在740℃的衬底温度、15 mtorr的氧压下，利用200 mj激光强度作用于铁酸铋（bifeo3）靶材之上进行薄膜生长，沉积脉冲数大约为30000下生长大约为100 nm厚的铁电功能层。
29.（3）将铁电功能层在一个大气压的氧压下，原位740℃进行退火来减少薄膜中氧空位浓度，增强薄膜质量。
30.（4）透过掩模版在铁酸铋薄膜上生长直径为30 μm；厚度为200 nm的氧化锌（azo）薄膜。生长温度为200℃，氧压为30 mtorr。最后也在原位200℃，一个大气压的氧压下进行退火来提高顶电极薄膜质量。
31.本发明中的器件真实图如图一所示，电极直径控制在30 μm，在5
×
5 mm的衬底上集成排布了16个电极。在工业实际应用中可以借助光刻技术继续提高电极集成度来获得更高的单位面积的元器件集成度。
32.如图2所示，器件从上往下依次为钛酸锶衬底、铁酸铋薄膜和顶电极氧化锌，形成典型的nb-srtio3/bifeo3/azo三明治结构。在器件的实际工作中，在信号输入或者信息写入时时，通过控制外接电路的输入信号频率、波形和振幅可以实现不同功能信号的计算和储存。在信号计算或者读取时，通过对整个集成电路的照射就可以同时实现所有器件的工作，来计算和读取数据。从图5中可以看出，在信号进行扫描的过程中整个器件的电信号处在不
停的循环中，出现捏滞曲线，这证明器件满足传统忆阻器特性。在图6中，通过不同电压的电信号写入，光照后光电信号出现了经典的“放电时需依赖性”特征，证明本发明中的光电忆阻器能够模拟人脑神经信号的工作机制，实现光电忆阻神经突触功能。
33.实施例2该实施例中所用光电忆阻器制备工艺参数与实施例1基本相同，区别在于单一导电衬底可以被单晶衬底和覆盖导电薄膜替代，如铝酸镧衬底和钌酸锶薄膜组合，钛酸锶衬底和钌酸锶薄膜组合，钛酸锶衬底和镧锶锰氧薄膜组合，以及铝酸镧衬底和镧锶锰氧薄膜等组合替代，这种方法可以减少导电衬底高额的成本，但是会增加工艺复杂性。两者各有利弊。
34.此外铁电层也可被其他铁电类具有光伏性能的薄膜所替换，如钛酸钡薄膜等，但要控制薄膜质量和薄膜厚度。顶电极可以替换金属电极等其他导电类电极，如钌酸锶薄膜，但要保证顶电极的透光性。
35.此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。