本发明涉及一种忆阻器，具体涉及一种基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器及其制备方法。
背景技术：
算存一体，即在存储器里实现计算，可以避免运算器和存储器之间频繁的数据交换，从而大幅度提高运算速度和降低功耗。在迫近摩尔定律预言的器件物理极限的情况下，发展超越cmos的具有算存一体功能的新型电子器件成为当前微电子发展的重要任务。忆阻器则是实现算存一体的非冯·诺依曼计算架构最有希望的电子器件。目前，单忆阻器已经取得了很大突破，可以实现长时间的保持(>106s)和多次的阻态翻转(>1010次)，已经可以实现稳定的阻态翻转和存储。由于多阻态忆阻器可以在很小的面积上实现多位数据的存储和运算，所以想要实现更高的存储密度、更高的计算效率和更低的制造成本，制备性能稳定的多阻态忆阻器是大势所趋。但是多阻态忆阻器仍然存在着性能不稳定、阻变机理不明晰、可重复性不高等关键问题。
技术实现要素：
本发明目的是解决现有多阻态忆阻器性能不稳定、阻变机理不明晰、可重复性不高的技术问题，提出一种基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器及其制备方法，可实现阻态多、开关比大、稳定性高的高性能多阻态忆阻器。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器，其特殊之处在于：包括下电极3、沉积在下电极3上的阻变层2、以及沉积在阻变层2上的上电极1；所述下电极3和上电极1均为惰性电极；
所述阻变层2包括堆叠的n个阻变材料层及位于阻变材料层之间的阻挡层，2≤n≤8；所述阻挡层为惰性金属材料；所述阻变材料层为导电细丝型阻变材料或者氧化还原反应型阻变材料；
所述氧化还原反应型阻变材料是由活性金属材料沉积在富氧层阻变材料上形成；施加电脉冲时，富氧层会和活性金属发生氧化还原反应生成或消减一层氧化物，从而使忆阻器的电阻发生大的变化；
所述下电极3、阻变层2和上电极1形成n个相同或不同的单忆阻器；n个所述单忆阻器纵向头尾相连，形成n个单忆阻器的串联结构。
进一步地，所述n个阻变材料层的导电细丝型阻变材料为hfo2、al2o3、taox、tio2、sio2及钙钛矿中的一种或多种；可以形成n个相同或不同的导电细丝型单忆阻器；
所述n个阻变材料层的富氧层阻变材料为taox、moox及tiox中的一种或多种；所述n个阻变材料层的活性金属材料为mg、hf、ni、ti、al、fe及zn中的一种或多种；可以形成n个相同或不同的氧化还原反应型单忆阻器。
进一步地，所述下电极3为pt、pd或au；所述上电极1为pt、pd或au；所述惰性金属材料为pt、pd及au中的一种或多种；不同惰性材料形成不同的惰性电极，可以做出高性能的单忆阻器。
进一步地，上述多阻态忆阻器还包括衬底，下电极3沉积在衬底上；所述衬底为硬性光滑衬底或柔性衬底；所述硬性光滑衬底包括二氧化硅、硅或ito；所述柔性衬底包括pen、pet或pi。
进一步地，上述单忆阻器纵向头尾相连时，位于相邻阻变材料层之间的阻挡层为两层，且两层惰性金属材料不同。
进一步地，所述下电极3厚度90～110nm；所述阻变材料层厚度15～35nm；所述阻挡层厚度5～25nm；所述上电极1厚度90～110nm；考虑到多阻态忆阻器的应用连接和导电性，上电极1和下电极3较厚。
同时，本发明还提出了一种基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)利用薄膜生长工艺在衬底上沉积一层下电极；
2)利用薄膜生长工艺在下电极上沉积一层导电细丝型阻变材料；
3)利用薄膜生长工艺在导电细丝型阻变材料上沉积一层惰性金属材料或两层不同材料的惰性金属材料；
4)利用薄膜生长工艺在惰性金属材料上沉积一层导电细丝型阻变材料；
5)重复步骤3)和步骤4)，直至沉积n层导电细丝型阻变材料，以及位于导电细丝型阻变材料之间的惰性金属材料，2≤n≤8；
6)利用薄膜生长工艺在最上层导电细丝型阻变材料上沉积一层上电极。
进一步地，所述衬底为硬性光滑衬底或柔性衬底；所述硬性光滑衬底包括二氧化硅、硅或ito；所述柔性衬底包括pen、pet或pi；
所述n层导电细丝型阻变材料为hfo2、al2o3、taox、tio2、sio2和钙钛矿中的一种或多种；
所述上电极材料为pt、pd或au；所述下电极材料为pt、pd或au；所述惰性金属材料为pt、pd或au；
所述薄膜生长工艺采用磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发或原子层沉积。
本发明还提出另一种基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)利用薄膜生长工艺在衬底上沉积一层下电极；
2)利用薄膜生长工艺在下电极上沉积一层富氧层阻变材料；
3)利用薄膜生长工艺在富氧层阻变材料上沉积一层活性金属材料；
4)利用薄膜生长工艺在活性金属材料上沉积一层惰性金属材料或两层不同材料的惰性金属材料；
5)利用薄膜生长工艺在惰性金属材料上沉积一层富氧层阻变材料；
6)利用薄膜生长工艺在富氧层阻变材料上沉积一层活性金属材料；
7)重复步骤4)至步骤6)，直至沉积n层富氧层阻变材料、活性金属材料，以及位于富氧层阻变材料、活性金属材料之间的惰性金属材料，2≤n≤8
8)利用薄膜生长工艺在最上层活性金属材料上沉积一层上电极。
进一步地，所述衬底为硬性光滑衬底或柔性衬底；所述硬性光滑衬底包括二氧化硅、硅或ito；所述柔性衬底包括pen、pet或pi；
所述n层富氧层材料为taox、moox及tiox中的一种或多种；所述n层活性金属材料为mg、hf、ni、ti、al、fe和zn中的一种或多种；
所述上电极材料为pt、pd或au；所述下电极材料为pt、pd或au；所述惰性金属材料为pt、pd或au；
所述薄膜生长工艺采用磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发或原子层沉积。
本发明的有益效果：
1)本发明基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器，通过简单的忆阻器堆叠实现稳定多阻态忆阻器的效果，解决了现在多阻态忆阻器存在的阻态不稳定的关键问题，而且简单的器件结构使面积减小，具有阻态多、开关速度快、工作能耗低的特点。
2)本发明基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器，采用2-8个单忆阻器的堆叠结构，避免了忆阻器堆叠的数量太多时受电场分布等因素的影响，保证了多阻态忆阻器的稳定性。
3)本发明基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器，采用相同或不同单忆阻器的堆叠结构，其中，采用相同的单忆阻器串联结构，每个单忆阻器的电学性能一致，可以精确地进行阻态调控；采用不同的单忆阻器串联结构，可以形成更多的阻态。
4)基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器，选用不同的惰性金属材料，形成不同的惰性电极，可提高单忆阻器的性能。
5)本发明基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器利用磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发等薄膜生长工艺实现稳定的堆叠结构，形成的单忆阻器可实现保持时间106s以上，阻态翻转超过1010次。
6)本发明基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器制作工艺中采用的衬底，可以为多阻态忆阻器提供稳定结构支撑。
附图说明
图1为本发明中基于导电细丝通断的忆阻器串联实现的高稳定多阻态忆阻器的示意图；其中(a)为每层忆阻器阻变材料相同的多阻态忆阻器；(b)为每层忆阻器阻变材料不同的多阻态忆阻器；
图2为本发明中基于氧化还原反应的忆阻器串联实现的高稳定多阻态忆阻器的示意图；其中(a)为每层忆阻器活性金属相同的多阻态忆阻器；(b)为每层忆阻器活性金属不同的多阻态忆阻器。
附图标记说明：
1-上电极，2-阻变层，3-下电极。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提出的基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器，包括2-8个单忆阻器堆叠结构，其堆叠结构包括两种类型，即基于导电细丝型忆阻器堆叠结构和基于氧化还原反应型忆阻器堆叠结构。该串联结构中，忆阻器堆叠的数量太多时，电场分布不均等影响因素会造成多阻态忆阻器的稳定性下降，考虑实际应用情况，本发明选择2-8个忆阻器堆叠结构。此外，堆叠结构的忆阻器可以是相同或者不同的忆阻器。
实施例1
如图1中(a)所示，本实施例以4个导电细丝型忆阻器堆叠为例介绍制备方法。
在衬底(可以是二氧化硅、硅、ito等硬性光滑衬底，或pen、pet、pi等柔性衬底)上利用磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发等薄膜生长工艺沉积一层100nm左右的惰性下电极3(可以是pt、pd、au等金属)，之后，在下电极3上采用上述薄膜生长技术沉积一层约20nm厚的第一层导电细丝型阻变材料(hfo2、al2o3、taox、tio2、sio2、钙钛矿等)，再在第一层导电细丝型阻变材料上面沉积一层20nm左右的上述惰性金属作为阻挡层，再在该惰性金属上沉积第二层约20nm的上述导电细丝型阻变材料，以此类推，交替沉积惰性金属、第三层导电细丝型阻变材料、惰性金属、第四层导电细丝型阻变材料，形成阻变层2，最后再利用上述薄膜生长工艺沉积约100nm厚的上电极1。如此便完成4个导电细丝型忆阻器堆叠结构。
其中，薄膜生长工艺采用磁控溅射、电子束蒸发(e-beam)、热蒸发或原子层沉积(ald)。两层惰性金属材料之间夹着一层导电细丝型阻变材料，形成稳定的单忆阻器，可实现保持时间106s以上，阻态翻转超过1010次，且每层忆阻器可形成两个阻态。
本实施例中，阻变层2的导电细丝型阻变材料选用hfo2、al2o3、taox、tio2、sio2、钙钛矿等材料中的一种材料，形成的单忆阻器为相同的单忆阻器，每个单忆阻器的电学性能一致(主要指set和reset电压一致)，可以精确地进行阻态调控。
制作上电极1和下电极3时，考虑到多阻态忆阻器后续应用连接和导电性，厚度较厚，而中间的惰性金属材料形成的阻挡层可以很薄，用于隔离相邻的单忆阻器。上电极1和下电极3和阻变层2的惰性金属材料可选用同一种惰性金属材料，也可选用不同的惰性金属材料。由于不同惰性电极的功函数不同，导致接触电阻不同和对器件的特性的影响不同，可以做出高性能的单忆阻器。
采用不同的惰性金属材料时，单忆阻器之间表现为在纵向尺度上的头尾相连，头尾相连时阻变材料之间需要沉积两层不同的惰性金属材料。采用相同的惰性金属材料时，单忆阻器之间为对称结构，也可看作是在纵向尺度上的头尾相连。
基于导电细丝型忆阻器堆叠实现稳定多阻态忆阻器的工作原理：
在上电极1和下电极3上施加电脉冲时，导电细丝在四层阻变材料里依次生长和断裂，由于每层导电细丝的生长和断裂都会引起器件电阻的大幅度变化，所以可实现电阻阻值的逐渐大幅度变化，从而实现稳定多阻态的忆阻器件。
实施例2
如图1(b)所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于阻变层2的导电细丝型阻变材料选用不尽相同，即选用hfo2、al2o3、taox、tio2、sio2、钙钛矿等材料中的两种以上材料的组合，形成的单忆阻器为不同的单忆阻器。由于每个单忆阻器可形成两个阻态，该堆叠结构可以形成8个阻态的稳定多阻态忆阻器。
实施例3
如图2中(a)所示，本实施例以4个氧化还原反应型忆阻器堆叠为例介绍制作方法。
在衬底(可以是二氧化硅、硅、ito等硬性光滑衬底，pen、pet、pi等柔性衬底)上利用磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发等薄膜生长工艺沉积一层100nm左右的下电极3(可以是pt、pd、au等惰性金属)，之后，在下电极3上采用上述薄膜生长技术沉积一层约20nm厚的第一层富氧层阻变材料(可以是taox、moox、tiox等)，再在第一层富氧层阻变材料上面沉积一层10nm左右的活性金属(可以是mg、hf、ni、ti、al、fe、zn等)，再在该活性金属上沉积一层薄的上述惰性金属材料(约10nm)作为阻挡层，再在该惰性金属材料上使用上述薄膜沉积方法生长第二层约20nm的上述富氧层阻变材料，再在第二层富氧层阻变材料上面沉积一层10nm左右的上述活性金属，再在该活性金属上沉积一层薄的上述惰性金属材料(约10nm)作为阻挡层。以此类推，交替沉积第三富氧层、活性金属层、惰性金属、第四富氧层、活性金属层，形成阻变层2，最后再利用上述薄膜生长工艺沉积约100nm厚的惰性上电极1。
其中，薄膜生长工艺采用磁控溅射、电子束蒸发(e-beam)、热蒸发或原子层沉积(ald)。两层惰性金属材料之间夹着一层富氧层阻变材料和一层活性金属材料，形成稳定的单忆阻器，可实现保持时间106s以上，阻态翻转超过1010次，且每层忆阻器可形成两个阻态。
本实施例中，阻变层2的每层富氧层阻变材料选用taox、moox、tiox等材料中的一种相同材料，活性金属材料选用mg、hf、ni、ti、al、fe、zn等材料中的一种相同材料，形成的单忆阻器为相同的单忆阻器。每个单忆阻器的电学性能一致，可以精确地进行阻态调控。
制作上电极1和下电极3时，考虑到多阻态忆阻器后续应用连接和导电性，厚度较厚，而中间的惰性金属材料形成的阻挡层可以很薄，用于隔离相邻的单忆阻器。上电极1和下电极3和阻变层2的惰性金属选用同一种惰性金属材料，也可选用不同的惰性金属材料。采用不同的惰性金属材料时，单忆阻器之间表现为在纵向尺度上的头尾相连，头尾相连时阻变材料之间需要沉积两层不同的惰性金属材料。采用相同的惰性金属材料时，单忆阻器之间为对称结构。
本发明基于氧化还原反应型忆阻器堆叠实现稳定多阻态忆阻器的工作原理：
在上电极1和下电极3上施加电脉冲时，富氧层会和活性金属发生氧化还原反应生成或消减一层氧化物，从而使器件的电阻发生大的变化，在四层氧化还原反应型忆阻材料表面依次生成和消减，实现电阻阻值的逐渐大幅度变化，从而实现稳定多阻态的忆阻器件。
实施例4
如图2(b)所示，本实施例与实施例3的不同之处仅在于阻变层2的富氧层阻变材料选用和/或活性金属材料选用不尽相同，也就是说，富氧层阻变材料可以选用taox、moox、tiox等材料中的两种以上材料的组合，活性金属材料也可以选用mg、hf、ni、ti、al、fe、zn等材料中两种以上材料的组合，形成不同的单忆阻器。每个单忆阻器可形成两个阻态，该堆叠结构可以形成8个阻态的稳定多阻态忆阻器。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并非对本发明技术方案的限制，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。
1.一种基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器，其特征在于：
包括下电极(3)、沉积在下电极(3)上的阻变层(2)、以及沉积在阻变层(2)上的上电极(1)；所述下电极(3)和上电极(1)均为惰性电极；
所述阻变层(2)包括堆叠的n个阻变材料层及位于相邻阻变材料层之间的阻挡层，2≤n≤8；所述阻挡层为惰性金属材料；
所述阻变材料层为导电细丝型阻变材料或者氧化还原反应型阻变材料；所述氧化还原反应型阻变材料是由活性金属材料沉积在富氧层阻变材料上形成；
所述下电极(3)、阻变层(2)和上电极(1)形成n个相同或不同的单忆阻器；n个所述单忆阻器纵向头尾相连。
2.根据权利要求1所述基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器，其特征在于：所述n个阻变材料层的导电细丝型阻变材料为hfo2、al2o3、taox、tio2、sio2及钙钛矿中的一种或多种；
所述n个阻变材料层的富氧层阻变材料为taox、moox及tiox中的一种或多种；所述n个阻变材料层的活性金属材料为mg、hf、ni、ti、al、fe及zn中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器，其特征在于：所述下电极(3)为pt、pd或au；所述上电极(1)为pt、pd或au；所述惰性金属材料为pt、pd及au中的一种或多种。
4.根据权利要求1或2或3所述基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器，其特征在于：还包括衬底，所述下电极(3)沉积在衬底上；所述衬底为硬性光滑衬底或柔性衬底；所述硬性光滑衬底包括二氧化硅、硅或ito；所述柔性衬底包括pen、pet或pi。
5.根据权利要求4所述基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器，其特征在于：位于相邻阻变材料层之间的阻挡层为两层，且两层惰性金属材料不同。
6.根据权利要求5所述基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器，其特征在于：所述下电极(3)厚度90～110nm；所述阻变材料层厚度15～35nm；所述阻挡层厚度5～25nm；所述上电极(1)厚度90～110nm。
7.一种基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)利用薄膜生长工艺在衬底上沉积一层下电极；
2)利用薄膜生长工艺在下电极上沉积一层导电细丝型阻变材料；
3)利用薄膜生长工艺在导电细丝型阻变材料上沉积一层惰性金属材料或两层不同材料的惰性金属材料；
4)利用薄膜生长工艺在惰性金属材料上沉积一层导电细丝型阻变材料；
5)重复步骤3)和步骤4)，直至沉积n层导电细丝型阻变材料，以及位于导电细丝型阻变材料之间的惰性金属材料，2≤n≤8；
6)利用薄膜生长工艺在最上层导电细丝型阻变材料上沉积一层上电极。
8.根据权利要求7所述基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器的制备方法，其特征在于：所述衬底为硬性光滑衬底或柔性衬底；所述硬性光滑衬底包括二氧化硅、硅或ito；所述柔性衬底包括pen、pet或pi；
所述n层导电细丝型阻变材料为hfo2、al2o3、taox、tio2、sio2和钙钛矿中的一种或多种；
所述上电极材料为pt、pd或au；
所述下电极材料为pt、pd或au；
所述惰性金属材料为pt、pd或au；
所述薄膜生长工艺采用磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发或原子层沉积。
9.一种基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)利用薄膜生长工艺在衬底上沉积一层下电极；
2)利用薄膜生长工艺在下电极上沉积一层富氧层阻变材料；
3)利用薄膜生长工艺在富氧层阻变材料上沉积一层活性金属材料；
4)利用薄膜生长工艺在活性金属材料上沉积一层惰性金属材料或两层不同材料的惰性金属材料；
5)利用薄膜生长工艺在惰性金属材料上沉积一层富氧层阻变材料；
6)利用薄膜生长工艺在富氧层阻变材料上沉积一层活性金属材料；
7)重复步骤4)至步骤6)，直至沉积n层富氧层阻变材料、活性金属材料，以及位于富氧层阻变材料、活性金属材料之间的惰性金属材料，2≤n≤8；
8)利用薄膜生长工艺在最上层活性金属材料上沉积一层上电极。
10.根据权利要求9所述基于串联结构的高稳定多阻态忆阻器的制备方法，其特征在于：所述衬底为硬性光滑衬底或柔性衬底；所述硬性光滑衬底包括二氧化硅、硅或ito；所述柔性衬底包括pen、pet或pi；
所述n层富氧层材料为taox、moox及tiox中的一种或多种；所述n层活性金属材料为mg、hf、ni、ti、al、fe和zn中的一种或多种；
所述上电极材料为pt、pd或au；
所述下电极材料为pt、pd或au；
所述惰性金属材料为pt、pd或au；
所述薄膜生长工艺采用磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发或原子层沉积。
技术总结