一种基于高熵氧化物和金属氧化物叠层的模拟型忆阻器及其制备方法和应用

本发明属于非易失性阻变存储器及神经网络计算，具体涉及一种基于高熵氧化物和金属氧化物叠层的模拟型忆阻器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近年来，由五种或五种以上多元金属氧化物以近等摩尔比混合的高熵氧化物材料，由于其独特的结构特点以及优异的材料性能(如离子电导率高，优异长期循环稳定性，和巨大的介电常数)，受到了科研人员的关注。目前高熵氧化物主要在催化和储能等领域展现出其优势，然而其表现出的高稳定性、巨大的介电常数和成分可调的优点，理论上作为阻变存储材料能实现高性能阻变存储器。目前主流的阻变存储器是基于二元氧化物和三元氧化物阻变层，对于五元及以上高熵氧化物基阻变忆阻器的研究较少。

2、忆阻器根据其电导随施加激励电压的变化情况，可以分为数字型和模拟型阻变器件。模拟型忆阻器，借鉴人脑神经突触结构，具有结构简单、功耗低、高低阻态连续可调的特点，是实现存内计算以及类脑神经形态计算的重要基础。然而目前，两端结构的阻变忆阻器通常表现出高、低阻态突变的数字型忆阻器特点。因此选择合适的阻变层，构建具有稳定缓变特性的模拟型忆阻器具有重要的意义。

3、目前主流的二元和三元氧化物基阻变存储器在阻变性能上表现出突变特征，限制了其在需要连续可调阻态的神经网络计算等领域的应用。基于高熵氧化物忆阻器的构建较少，尤其是实现具有稳定缓变性能的模拟忆阻器件尚未有报道。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于高熵氧化物和金属氧化物叠层的模拟型忆阻器及其制备方法和应用，以解决现有的二元和三元氧化物基阻变存储器阻变性能突变，限制了在神经网络计算等领域应用的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明公开了一种基于高熵氧化物和金属氧化物叠层的模拟型忆阻器的制备方法，包括如下步骤：

4、1)在绝缘衬底上沉积导电薄膜，作为模拟型忆阻器的下电极；

5、2)在步骤1)制得的下电极上，采用物理气相沉积方式，先沉积金属氧化物层，然后沉积高熵氧化物层，获得的叠层，作为模拟型忆阻器的阻变层；

6、3)在步骤2)生长的叠层上，继续沉积导电薄膜，作为模拟型忆阻器的上电极；得到基于高熵氧化物和金属氧化物叠层的模拟型忆阻器。

7、优选地，步骤1)中，绝缘衬底为高平整透明玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底或抛光氧化硅/硅。

8、优选地，步骤1)中，下电极为稳定性高的金属金、铂、钨、掺氟二氧化锡或氧化铟锡；下电极的厚度为50-200nm；

9、步骤3)中，上电极为稳定性高的金属金、铂、钨、掺氟二氧化锡或氧化铟锡；上电极的厚度为50-200nm。

10、优选地，步骤2)中，物理气相沉积方式为磁控溅射或脉冲激光；金属氧化物层为氧化钛、氧化钨、氧化铪、氧化钽、氧化锰、氧化钇、氧化铌或氧化钒；高熵氧化物层为铁、钴、镍、镉和锰五种金属以等原子比混合制得的五元金属氧化物；高熵氧化物层的沉积方法为射频磁控溅射法。

11、优选地，步骤2)中，金属氧化物层的厚度为10-100nm；高熵氧化物层的厚度为5-50nm。

12、优选地，步骤2)中，金属氧化物层的加热温度为30-300℃；工作气压为0.1-5pa；在沉积过程中同时通入氩气和氧气，氩气的通入流量为5-25sccm，氧气的通入流量为5-30sccm；薄膜的生长时间为3-30min；溅射功率为50-350w。

13、优选地，步骤2)中，高熵氧化物的加热温度为100-400℃；工作气压为1-10pa；在沉积过程中同时通入氩气和氧气，氩气的通入流量为2-20sccm，氧气的通入流量为10-60sccm；薄膜的生长时间为0.5-5min；溅射功率为20-200w。

14、本发明还公开了上述制备方法制得的基于高熵氧化物和金属氧化物叠层的模拟型忆阻器，从下到上依次包括：绝缘衬底、下导电电极、金属氧化物、高熵氧化物和上导电电极。

15、本发明还公开了上述制备方法制得的基于高熵氧化物和金属氧化物叠层的模拟型忆阻器在信息存储中的应用。

16、本发明还公开了上述制备方法制得的基于高熵氧化物和金属氧化物叠层的模拟型忆阻器在神经网络计算中的应用。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

18、本发明公开了一种基于高熵氧化物和金属氧化物叠层的模拟型忆阻器的制备方法，具有制备工艺简单、与cmos工艺兼容、低能耗环保和性能优异的优势。高熵氧化物具有高稳定性、巨大的介电常数和成分可调的优点，作为阻变存储材料，能实现高性能阻变存储器。而目前主流的阻变存储器是二元氧化物和三元氧化物作为阻变层，构建的器件多数呈现具有突变特征的阻变性能，这制约了在神经网络计算等领域的应用。本发明采用由五种或五种以上多元金属以近等摩尔比混合的合金靶材，采用射频磁控溅射沉积出高熵氧化物为核心阻变层，叠加氧化物层来调控器件的稳定性，在电激励的条件下氧空位的迁移具有连续性，因而构建的导电通道的形成和断裂具有渐变性，进而实现模拟阻变特性，这对于实现在存内计算以及类脑神经形态计算领域的应用具有重要的意义。

19、进一步的，选择高平整绝缘衬底，高平整性是获得高稳定性模拟忆阻器的前提，绝缘特性能减少衬底的导电性对器件电流的影响；透明玻璃有助于实现透明器件的构建，有助于实现光控耦合模拟阻变性能；聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底是柔性衬底，有助于构建柔性器件，实现在可穿戴领域的应用；抛光氧化硅/硅衬底有助于实现与cmos工艺兼容，实现批量化的流片。

20、进一步的，下电极和上电极选择稳定性高的金属金、铂、钨，有助于防止电极原子进入阻变层，影响器件的阻变性能，且稳定性的金属可以防止与空气中水分子及氧气发生反应，获得更高的电极之间的接触；掺氟二氧化锡和氧化铟锡电极结合透明衬底，可以构建出透明器件，利用光控耦合来调控模拟阻变特性。采用稳定性高的金属金、铂、钨等金属，或者掺氟二氧化锡和氧化铟锡金属氧化物作为模拟忆阻器的上电极和下电极，为实现高稳定性模拟阻变器件和透明阻变器件提供了保障；采用物理气相沉积的方法，分别生长出高熵氧化物和金属氧化物层，生长的叠层作为器件的阻变层，能有效调控氧空位构造的导电通道的缓慢的形成和断裂，是实现模拟阻变性能的核心。

21、进一步的，下电极和上电极的厚度为50-200nm，低于此厚度，制备器件的可靠性变差，高于此厚度对器件性能的提高影响不大，浪费能源。

22、进一步的，选择磁控溅射或者脉冲激光的物理气相沉积方式来沉积氧化物和高熵氧化物层，磁控溅射的制备方法具有制备工艺简单、可靠性重复性高、成本低、能有效调控薄膜中氧空位浓度等优点，进而实现对器件的模拟阻变性能的调控；脉冲激光方式具有低成本和生长速率快的优点，也可以通过控制生长气氛的浓度等条件，对器件的阻变性能进行调控。

23、进一步的，金属氧化物层为氧化钛、氧化钨、氧化铪、氧化钽、氧化锰、氧化钇、氧化铌和氧化钒中的一种，以上金属氧化物作为单一阻变层构建的忆阻器，呈现出较优异的阻变性能，是良好的忆阻器存储材料。

24、进一步地，高熵氧化物层为铁、钴、镍、镉和锰五种金属以等原子比混合制得的五元金属氧化物；通过等原子比混合五种金属元素(铁、钴、镍、镉、锰)，形成了高熵氧化物层。这种多元化设计不仅增加了材料的复杂性，还可能带来独特的物理和化学性质，如高硬度、高强度、高耐腐蚀性等。由于多种元素的均匀混合，减少了单一元素可能引起的相分离或偏析现象，从而提高了材料的整体稳定性和可靠性。高熵氧化物层的沉积方法为射频磁控溅射法，能够精确控制薄膜的厚度、成分和均匀性，从而确保高熵氧化物层具有优异的性能。具有较高的沉积速率和产率，能够在短时间内制备出大面积、均匀的高熵氧化物层。这有助于提高生产效率，降低制造成本。

25、进一步的，构建的模拟忆阻器的阻变层中金属氧化物层的厚度为10-100nm，高熵氧化物为5-50nm，低于此厚度的忆阻器，由于较薄的阻变层导致耐压性能不高，器件容易被击穿，器件的稳定性降低；高于此厚度范围的阻变层，需要较大的转变电压才能进行阻变调控，器件的功耗增加。

26、进一步的，金属氧化物层的加热温度为30-300℃，高熵氧化物的加热温度为100-400℃，低于此温度范围制备的薄膜表面粗糙度较高，构建的器件性能和稳定性都较差，高于此温度范围制备的薄膜氧空位难以调控，器件的模拟阻变性能差；金属氧化物层工作气压为0.1-5pa，高熵氧化物工作气压为1-10pa，低于此气压范围制备的薄膜生长速率过慢，器件的制造成本提高，高于此气压范围的薄膜质量差，导致器件的性能和稳定性都变差；金属氧化物层的生长过程中氩气和氧气通入流量为5-25sccm和5-30sccm，高熵氧化物生长过程中氩气和氧气通入流量为2-20sccm和10-60sccm，低于此气压范围薄膜生长速率过慢，增加了器件制备成本，高于此气压范围制备的薄膜差，降低了器件的性能；金属氧化物层薄膜生长时间为3-30min，高熵氧化物薄膜生长时间为0.5-5min，过长沉积时间导致薄膜的厚度大，需要更高的激励电压才能实现阻变性能，导致器件的功耗变大，过低的生长时间制备的阻变层的厚度低，虽然构建的模拟忆阻器功耗较低，但是容易被击穿导致器件的稳定性变差；金属氧化物溅射功率为50-350w，高熵氧化物溅射功率为20-200w，低于此功率范围制备的阻变层需要更长的时间才能完成器件的构建，效率低，高于此功率范围生长的薄膜粗糙度变大，构建的器件模拟阻变性能变差。

27、本发明还公开了上述制备方法制得的基于高熵氧化物和金属氧化物叠层的模拟型忆阻器，通过引入高稳定性、巨大的介电常数和成分可调的高熵氧化物，以高熵氧化物为阻变器件的核心阻变层，叠加单一金属氧化物构建双层结构，构建出具有高稳定性的模拟忆阻器，实现具有电导调控线性度高且稳定的模拟阻变特性，为实现在存内计算以及类脑神经形态计算领域的应用做出硬件支撑，在非易失性阻变存储器，尤其是神经网络计算领域具有巨大的应用前景。

28、本发明还公开了上述制备方法制得的基于高熵氧化物和金属氧化物叠层的模拟型忆阻器在信息存储中的应用。通过采用物理气相沉积的方法，生长出高熵氧化物和金属氧化物层，生长的叠层作为器件的阻变层，能有效调控由氧空位构建的导电通道的缓慢形成和断裂，相较于二元氧化物和三元氧化物基忆阻器具有突变特征的阻变性能，具有更高的存储窗口、更好的循环耐久性和更长的数据保持时间。具有低功耗和非易失性特点，适用于开发下一代非易失性存储器，提高存储效率和降低能耗。叠层结构的设计有助于实现更高密度的存储阵列，满足大数据和云计算时代对存储容量的需求。

29、本发明还公开了上述制备方法制得的基于高熵氧化物和金属氧化物叠层的模拟型忆阻器在神经网络计算中的应用。高熵氧化物和金属氧化物叠层模拟型忆阻器的阻态连续可调特性，使其能够模拟生物神经突触的可塑性，为构建类脑神经形态计算系统提供了理想的基础元件。在脉冲神经网络中，该忆阻器能够实时调整权重，加速神经网络的训练过程，提高计算效率和准确性。结合其低功耗特性，该忆阻器在神经网络计算中能够显著降低系统能耗，提升整体效能，适用于边缘计算和移动设备等资源受限的场景。