一种嗅觉感存算一体化忆阻器及其制备方法

1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种嗅觉感存算一体化忆阻器及其制备方法。


背景技术：

2.生物体对外界环境具有灵敏的感知能力，可以针对不同的信息产生灵活的条件反射或非条件反射响应行为。这一过程依靠于生物身体灵敏的感知器官以及能快速做出反应的大脑。在各种感知器官中，嗅觉系统在探测不同种类的气体时扮演着关键作用。因此，开发具有灵敏嗅觉功能的电子器件是实现仿生功能的重要一步。
3.常见的气体传感器仅能对气体进行探测，而无法对探测的数据进行计算处理与长时间存储。气体传感器探测的数据需要通过模数转换器等电子设备的转换并且通过线路传递才可到达特定功能化的信息处理与存储单元，这一过程将消耗大量能耗，并且限制了气体传感系统的信息反馈速度，难以满足即时交互系统的需求。受到生物系统的启发，开发集信息感知、信息处理与信息存储功能于一体的新型嗅觉电子器件将改变现有传感单元的局限，具有实现高效感存算功能的潜力。
4.硫化氢作为一种对人体健康有害的气体，开发相应的气体传感器进行实时检测与处理至关重要。sno2作为一种可对硫化氢气体灵敏响应的材料，已经广泛应用于气体探测器。然而，由于sno2材料仅能对气体进行瞬态响应，难以满足器件的存算功能需求，限制了其感存算一体化的应用。为了使气体传感器具有存储与计算功能，需要从材料结构上进行设计与集成，使得存储与计算功能的材料体系与现有体系相融合，保证器件整体的功能性。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明公开一种嗅觉感存算一体化忆阻器，包括：
6.衬底；底层叉指电极，形成在所述衬底上；电阻调控功能层，其为高k介质薄膜，形成在所述底层叉指电极上；气体探测功能层，其为sno2薄膜，形成在所述电阻调控功能层上；顶层叉指电极，形成在所述气体探测功能层上，其叉指延伸方向与底层叉指电极的叉指延伸方向正交，在同一个忆阻器体系中实现硫化氢气体的感知、处理与记忆功能：释放硫化氢气体，器件的电导变大，实现嗅觉功能；撤除气体后电导被保持记忆，实现存储功能；器件能够对连续的硫化氢气体产生阶梯式响应，用于神经形态计算并对气体种类进行识别判断，实现计算功能。
7.本发明的嗅觉感存算一体化忆阻器中，优选为，所述高k介质材料为hfo2，zro2，tio2，al2o3。
8.本发明的嗅觉感存算一体化忆阻器中，优选为，所述底层叉指电极和所述顶层叉指电极的电极根数为3根～10根，间距为50μm～400μm。
9.本发明的嗅觉感存算一体化忆阻器中，优选为，所述高k介质材料的厚度为5nm～20nm；所述sno2薄膜的厚度为5nm～20nm。
10.本发明还公开一种嗅觉感存算一体化忆阻器制备方法，包括以下步骤：在所述衬底上形成底层叉指电极；在所述底层叉指电极上形成高k介质薄膜，作为电阻调控功能层；在所述电阻调控功能层上形成sno2薄膜，作为气体探测功能层；在所述气体探测功能层上形成顶层叉指电极，其叉指延伸方向与底层叉指电极的叉指延伸方向正交，在同一个忆阻器体系中实现硫化氢气体的感知、处理与记忆功能，释放硫化氢气体，器件的电导变大，实现嗅觉功能，撤除气体后电导被保持记忆，实现存储功能，器件能够对连续的硫化氢气体产生阶梯式响应，用于神经形态计算并对气体种类进行识别判断，实现计算功能。
11.本发明的嗅觉感存算一体化忆阻器制备方法中，优选为，所述高k介质材料为hfo2，zro2，tio2，al2o3。
12.本发明的嗅觉感存算一体化忆阻器制备方法中，优选为，所述底层叉指电极和所述顶层叉指电极的电极根数为3根～10根，间距为50μm～400μm。
13.本发明的嗅觉感存算一体化忆阻器制备方法中，优选为，所述高k介质材料的厚度为5nm～20nm；所述sno2薄膜的厚度为5nm～20nm。
14.本发明的嗅觉感存算一体化忆阻器制备方法中，优选为，采用原子层沉积技术形成sno2薄膜，并在管式炉中以550℃～700℃的温度退火30分钟～3小时。
15.有益效果：
16.(1)采用仿生的方式实现类似生物体的嗅觉功能，以灵敏的气体探测电子器件为基础实现有害气体的监测与防控，推动神经形态仿生电子的发展。
17.(2)打破传统的气体传感器的信息探测与传输弊端，在同一电子器件单元实现气体信号的探测、信息的处理以及处理结果的记录，为即时反馈系统的搭建奠定重要基础。
18.(3)为了实现嗅觉感存算一体化功能与应用，利用高均一性、台阶覆盖性以及cmos工艺兼容的原子层沉积技术生长铪基高k介质薄膜与sno2薄膜异质结，为实现产业化的感存算一体化嗅觉仿生电子提供了有效路径。
附图说明
19.图1是嗅觉感存算一体化忆阻器制备方法的流程图。
20.图2～图5是嗅觉感存算一体化忆阻器制备方法各阶段的结构示意图。
21.图6是嗅觉感存算一体化忆阻器运行原理示意图。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指
示或暗示相对重要性。
24.此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
25.图1是嗅觉感存算一体化忆阻器制备方法的流程图。如图1所示，嗅觉感存算一体化忆阻器制备方法，包括以下步骤：
26.步骤s1，准备硅片作为衬底100用于制备嗅觉感存算一体化忆阻器件。衬底还可以是soi、玻璃、sic等。
27.步骤s2，利用物理气相沉积在衬底100上制备底层叉指电极pt101，如图2所示。电极材料还可以是pd，au，al，ni，ti等；厚度优选为50nm，范围可取30nm～100nm；电极根数优选为6根，范围可取3根～10根；间距优选为100μm，范围可取50μm～400μm；长度优选为300μm；范围可取200μm～500μm；宽度优选为50μm，范围可取30μm～100μm。
28.步骤s3，利用原子层沉积技术在底层叉指电极101上生长hfo2高k介质薄膜作为电阻调控功能层102，用以实现存储与计算功能，如图3所示。高k介质薄膜还可以是zro2，tio2，al2o3等；厚度优选为10nm，范围可取5nm～20nm。
29.步骤s4，利用原子层沉积技术在电阻调控功能层102上生长10nm厚的气体敏感材料sno2薄膜，利用管式炉在650℃退火1小时，作为气体探测功能层103，用以实现硫化氢气体的监测功能，如图4所示。sno2薄膜的厚度范围可取5nm～20nm；退火温度范围可取550℃～700℃；退火时长范围可取30分钟～3小时。
30.步骤s5，利用物理气相沉积在气体探测功能层103上制备厚度为50nm的顶层叉指电极au104，如图5所示。叉指电极的材料还可以是pt，pd，al，ni，ti等；厚度优选为50nm，范围可取30nm～100nm；电极的根数优选为6根，范围可取3根～10根；间距优选为100μm，范围可取50μm～400μm；长度优选为300μm；范围可取200μm～500μm；宽度优选为50μm，范围可取30μm～100μm。
31.如图5所示，嗅觉感存算一体化忆阻器包括：衬底100；底层叉指电极101，形成在衬底100上；电阻调控功能层102，其为高k介质薄膜，形成在底层叉指电极101上；气体探测功能层103，其为sno2薄膜，形成在电阻调控功能层102上；顶层叉指电极104，形成在气体探测功能层103上，其叉指延伸方向与底层叉指电极的叉指延伸方向正交。
32.如图6所示，以高k介质薄膜作为电阻调控功能层，以sno2薄膜作为气体探测功能层，进行异质集成，在同一个忆阻器体系中实现硫化氢气体的感知、处理与记忆功能，用于构建具有实时反馈功能的嗅觉仿生感存算一体化神经形态系统。具体而言：通过释放硫化氢气体，器件的电导变大，即嗅觉功能实现。撤除气体后气体的电导可被保持记忆，存储功能实现。器件可以对连续的硫化氢气体产生阶梯式响应，用于神经形态计算并对气体种类进行识别判断，计算功能实现。
33.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。