本發(fā)明涉及微電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種基于SiO₂神經(jīng)仿生層的神經(jīng)仿生器件及其制備方法。

背景技術(shù)：

在信息技術(shù)領(lǐng)域，減小存儲(chǔ)單元的面積是發(fā)展當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的一個(gè)主要驅(qū)動(dòng)力。但是，在未來(lái)15 到20 年之內(nèi)，當(dāng)前的存儲(chǔ)技術(shù)將達(dá)到其物理極限，難以再進(jìn)一步發(fā)展。為了促使存儲(chǔ)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，需要找到一種新的發(fā)展方向。其一種可能的發(fā)展方向是從生物學(xué)仿生而來(lái)的認(rèn)知存儲(chǔ)，它不像當(dāng)前的存儲(chǔ)器只有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)這種單一功能，而是像人的記憶一樣豐富多彩，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息處理以及最重要的認(rèn)知功能，如可適應(yīng)、學(xué)習(xí)、具有洞察力、新知識(shí)的構(gòu)建等等。這種認(rèn)知存儲(chǔ)的功能作為驅(qū)動(dòng)力的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)需要利用具有認(rèn)知功能的器件搭建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，因此，開(kāi)發(fā)認(rèn)知存儲(chǔ)器這種具有認(rèn)知功能的微電子器件，就是目前行業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。

在認(rèn)知存儲(chǔ)器中，用作構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電子突觸器件，是最基本的一種認(rèn)知存儲(chǔ)器。電子突觸器件如同神經(jīng)突觸，是不同神經(jīng)元之間的連接，具有用以表征神經(jīng)元之間連接強(qiáng)度的突觸權(quán)重，并且在不同的刺激下，突觸權(quán)重能進(jìn)行相應(yīng)的改變，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)和記憶的功能。然而，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，神經(jīng)突觸數(shù)目龐大，需要減小電子突觸器件的面積和功耗，才有可能構(gòu)建具有一定規(guī)模、一定認(rèn)知功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。近年來(lái)，人們通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，發(fā)現(xiàn)憶阻器這種新型的電子元器件具有類(lèi)似優(yōu)良的特性，其中憶阻器的記憶功能和可操控性和生物體神經(jīng)突觸有很高的相似性。人類(lèi)大腦中存在10¹¹-10¹⁴個(gè)神經(jīng)元，而連接這些神經(jīng)元的突觸數(shù)量則高達(dá)10¹⁵。神經(jīng)突觸由三部分組成：突觸前膜、突觸后膜以及兩膜間的窄縫——突觸間隙，其間距通常為20-40nm。在電信號(hào)刺激下，攜帶傳遞信息的神經(jīng)遞質(zhì)由突觸前神經(jīng)元通過(guò)突觸間隙單向傳輸?shù)酵挥|后神經(jīng)元。因此，突觸前后膜類(lèi)似于憶阻器的兩端金屬電極，而突觸間隙類(lèi)似于憶阻器的介質(zhì)層，其厚度約為數(shù)十納米。

突觸可塑性是生物體神經(jīng)突觸的最基本特性，突觸會(huì)隨著神經(jīng)元之間連接強(qiáng)度的強(qiáng)弱動(dòng)態(tài)的刺激或抑制信號(hào)，使得信號(hào)保持連續(xù)變化。這就要求器件能夠在施加電信號(hào)作用下，實(shí)現(xiàn)電阻值的漸變。憶阻器能夠模擬神經(jīng)突觸，最基本的依據(jù)是他們都有非線性電學(xué)性質(zhì)，即利用憶阻器兩類(lèi)電學(xué)性質(zhì)（變化迥異的高、低兩種電阻狀態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻緩變行為）應(yīng)用于神經(jīng)突觸的模擬中。但是，目前的仿生器件由于其神經(jīng)仿生層材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致器件在施加電壓時(shí)存在高低阻態(tài)之間轉(zhuǎn)換的連續(xù)性較差、連續(xù)性變化的電導(dǎo)性能差、器件的穩(wěn)定性低的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是提供一種基于SiO₂神經(jīng)仿生層的神經(jīng)仿生器件及其制備方法，以解決現(xiàn)有神經(jīng)仿生器件存在施加電壓時(shí)存在高低阻態(tài)之間轉(zhuǎn)換連續(xù)性較差、器件穩(wěn)定性差的問(wèn)題。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于SiO₂神經(jīng)仿生層的神經(jīng)仿生器件，包括Ag襯底、在所述Ag襯底上依次形成的神經(jīng)仿生層和Ag電極層；所述神經(jīng)仿生層從下而上依次包括：第一SiO₂膜層、Ag膜中間層、第二SiO₂膜層。

所述第一SiO₂膜層、Ag膜中間層、第二SiO₂膜層的厚度比為5:1:5；所述Ag膜中間層的厚度優(yōu)選為2-6nm，所述Ag膜中間層的厚度更優(yōu)選為2nm，即所述神經(jīng)仿生層的厚度在20-25nm之間其實(shí)用性更好。

所述神經(jīng)仿生層采用磁控濺射的方法制備而成。

所述Ag電極層的厚度為50-300nm；所述Ag電極層為均勻分布在所述神經(jīng)仿生層上的若干直徑為80-200μm的圓形電極。

本發(fā)明還提供了一種基于SiO₂神經(jīng)仿生層的神經(jīng)仿生器件的制備方法，包括以下步驟：

（a）將Ag襯底依次在去離子水、丙酮和酒精中分別用超聲波清洗，然后取出用 N₂吹干；

（b）將清洗好的Ag襯底固定到磁控濺射設(shè)備腔體的襯底臺(tái)上，并將腔體抽真空至1×10^-4-4×10^-4Pa；

（c）在腔體內(nèi)的靶臺(tái)上放置SiO₂靶材，直流靶臺(tái)上放置Ag靶材，向腔體內(nèi)通入Ar和O₂，調(diào)整接口閥使腔體內(nèi)的壓強(qiáng)維持在1-6Pa，打開(kāi)控制SiO₂靶材起輝的射頻源，調(diào)整射頻源功率為100-200W，使SiO₂靶材起輝，預(yù)濺射8-15min；

（d）預(yù)濺射完畢后，開(kāi)始正式濺射，在Ag襯底上生長(zhǎng)SiO₂膜層，正式濺射時(shí)間為25-30min，得第一SiO₂膜層；

（e）將SiO₂靶材的射頻源關(guān)掉，并將腔體抽真空至1×10^-4-4×10^-4Pa，襯底加熱至400℃，打開(kāi)控制Ag靶材的直流電源，調(diào)整射頻源功率為8-11W，使Ag靶材起輝，預(yù)濺射8-15min，開(kāi)始正式濺射，在第一SiO₂膜層上生長(zhǎng)Ag膜層，正式濺射時(shí)間為4-8s，得Ag膜中間層；

（f）將Ag靶材的直流電源關(guān)掉，保持襯底溫度為400℃，打開(kāi)放置SiO₂靶材起輝的射頻源，調(diào)整直流源功率為130-170W，使SiO₂靶材起輝，預(yù)濺射8-15min，開(kāi)始正式濺射，在Ag膜中間層上生長(zhǎng)SiO₂膜層，正式濺射時(shí)間為25-35min，得第二SiO₂膜層；

（g）在形成第二SiO₂膜層后的Ag襯底上放置掩膜版，將磁控濺射設(shè)備腔體抽真空至1×10^-4-4×10^-4Pa；向腔體內(nèi)通入流量為20-30sccm的Ar，調(diào)整接口閥使腔體內(nèi)的壓強(qiáng)維持在1-6Pa，打開(kāi)控制Ag靶材起輝的直流源，調(diào)整直流源功率為8-11W，使Ag靶材起輝，預(yù)濺射4-6min；開(kāi)始正式濺射6-10min，在第二SiO₂膜層上形成Ag電極層。

步驟（c）中所述Ar和O₂向腔體的通入流量比為50-100sccm : 15-35sccm。

步驟（d）、（e）、（f）中控制第一SiO₂膜層、Ag膜中間層和第二SiO₂膜層的厚度比為5:1:5；所述Ag膜中間層的厚度優(yōu)選為2-6nm；更優(yōu)選為2nm。

步驟（g）中Ag電極層的厚度為50-300nm。

步驟（g）所述的掩膜版上均布有直徑為80-200μm的圓形孔。

步驟（g）所述Ag電極層所述Ag電極層為均勻分布在所述神經(jīng)仿生層上的若干圓形電極。

本發(fā)明提供的神經(jīng)仿生器件設(shè)計(jì)為Ag襯底、神經(jīng)仿生層和Ag電極層，并將神經(jīng)仿生層設(shè)計(jì)為特定材料及特定厚度比的第一SiO₂膜層、Ag膜中間層和第二SiO₂膜層；通過(guò)特定磁控濺射工藝處理，使Ag膜中間層部分?jǐn)U散到第一SiO₂膜層和第二SiO₂膜層內(nèi)，得到了一種高阻態(tài)與低阻態(tài)之間能發(fā)生緩慢的變化、有多個(gè)穩(wěn)定的高低阻態(tài)且保持良好特性、可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)仿生要求的神經(jīng)仿生器件。本發(fā)明所制備的器件其兩端分別作為兩個(gè)輸入端，分別為突觸前刺激和突觸后刺激，根據(jù)突觸前刺激和突觸后刺激的時(shí)間差而改變電阻，能夠模仿生物突觸的特性，在施加不同電脈沖的刺激下改變其電阻的阻值，其高、低阻態(tài)會(huì)發(fā)生緩慢變化，且范圍穩(wěn)定；出現(xiàn)多個(gè)穩(wěn)定阻態(tài)并具有良好的保持特性，在重復(fù)施加電脈沖刺激的情況下，能夠記住改變的狀態(tài)，高低阻轉(zhuǎn)化的重復(fù)性高，是一種性能更為穩(wěn)定、應(yīng)用前景更為廣闊的神經(jīng)仿生器。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所提供的神經(jīng)仿生器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明中用于制備神經(jīng)仿生器件的磁控濺射設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例2所制備的神經(jīng)仿生器件電流-電壓變化狀態(tài)圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例2所制備的神經(jīng)仿生器件兩端電壓隨源表電壓的變化圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例2所制備的神經(jīng)仿生器件的活動(dòng)時(shí)序依賴(lài)突觸可塑性（STDP）功能圖。

具體實(shí)施方式

下面實(shí)施例用于進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。

實(shí)施例1

本發(fā)明所提供的神經(jīng)仿器件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括最底層的Ag襯底1、Ag襯底1上的神經(jīng)仿生層2，神經(jīng)仿生層2上的Ag電極層3。

其中神經(jīng)仿生層2由三層膜層依次疊加構(gòu)成，由下至上依次為第一SiO₂膜層21、Ag膜中間層22、第二SiO₂膜層23。第一SiO₂膜層21、Ag膜中間層22、第二SiO₂膜層23的厚度比為5:1:5；其Ag膜中間層22為2-6nm，優(yōu)選2nm，一般來(lái)講，神經(jīng)仿生層2的總厚度在20-25nm范圍內(nèi)實(shí)用性更好。神經(jīng)仿生層2采用磁控濺射方法制備而成，其Ag膜中間層2部分?jǐn)U散在第一SiO₂膜層21和第二SiO₂膜層23內(nèi)。

Ag電極層3的厚度可以在50-300nm范圍內(nèi)；Ag電極層3為均勻分布在所述神經(jīng)仿生層上的若干直徑為80-200μm的圓形電極。

實(shí)施例2

本發(fā)明所提供的神經(jīng)仿生器件的制備方法包括如下步驟：

一、在襯底上形成神經(jīng)仿生層

（1）準(zhǔn)備襯底

選擇Ag作為襯底，然后將Ag襯底放在丙酮中用超聲波清洗10min，然后在放入酒精中用超聲波清洗10min，再用夾子取出放入去離子水中用超聲波清洗5min，最后取出，用N₂吹干。

（2）將襯底放入腔體并抽真空

采用如圖2所示的磁控濺射設(shè)備，打開(kāi)磁控濺射設(shè)備腔體4，拿出壓片臺(tái)9，用砂紙打磨去掉表面污漬至其色澤均勻發(fā)亮，用丙酮清洗打磨下來(lái)的廢物和表面附著的有機(jī)物，用酒精最后擦拭干凈。將清洗好的Ag襯底放在壓片臺(tái)9上壓片，壓片時(shí)保證Ag襯底穩(wěn)固壓在壓片臺(tái)9上并且壓平，保證濺射時(shí)候生長(zhǎng)薄膜均勻。將整理好的壓片臺(tái)9放入腔體4內(nèi)的襯底臺(tái)8上，固定好后關(guān)閉腔體4，對(duì)腔體4抽真空至2×10^-4Pa。

（3）通入氣體

在腔體4內(nèi)的壓片臺(tái)9的下方設(shè)置有靶臺(tái)6和靶臺(tái)12，靶臺(tái)6上用于放置銀靶材7，靶臺(tái)12上用于放置二氧化硅靶材11。二氧化硅靶材由磁控濺射設(shè)備腔體外的射頻源來(lái)控制其起輝，而銀靶材由磁控濺射設(shè)備腔體外的直流源來(lái)控制其起輝。

當(dāng)腔體內(nèi)的氣壓為2×10^-4Pa時(shí)，打開(kāi)兩個(gè)氣瓶，通過(guò)充氣閥5向腔體內(nèi)通入流量比為75sccm : 25sccm的Ar和O₂，調(diào)整接口閥10使腔體內(nèi)的壓強(qiáng)維持在1-6Pa，打開(kāi)控制二氧化硅靶材起輝的射頻源，調(diào)整射頻源功率為150W，使二氧化硅靶材起輝，預(yù)濺射10min。

（4）第一SiO₂膜層的形成

在二氧化硅預(yù)濺射之后，打開(kāi)擋板，開(kāi)始正式濺射30min，在Ag襯底上形成一層SiO₂膜層，即為第一SiO₂膜層。

（5）Ag膜中間層的形成

將控制二氧化硅靶材起輝的射頻源關(guān)掉，將腔體抽至2×10^-4Pa，打開(kāi)控制Ag靶材起輝的直流電源，襯底升溫至400℃，調(diào)整射頻源功率為10w，使銀靶材起輝，預(yù)濺射10min，然后正式濺射6s，得Ag膜中間層，此時(shí)Ag膜中間層的Ag已部分?jǐn)U散進(jìn)入第一SiO₂膜層內(nèi)。

（6）第二SiO₂膜層的形成

形成Ag膜中間層后，關(guān)閉直流電源，打開(kāi)射頻電源，在襯底溫度為400℃情況下，控制二氧化硅靶材起輝的射頻源，調(diào)整射頻源功率為150W，使二氧化硅靶材起輝，預(yù)濺射10min，開(kāi)始正式濺射30min，在Ag膜中間層上形成第二SiO₂膜層，此時(shí)Ag膜中間層的Ag已部分?jǐn)U散進(jìn)入第二SiO₂膜層內(nèi)。

二、在神經(jīng)仿生層上形成電極層

（1）關(guān)閉射頻源，通過(guò)接口閥10泄壓，打開(kāi)磁控濺射設(shè)備腔體4，在Ag襯底形成有神經(jīng)仿生層的第二SiO₂膜層上放置掩膜版，掩膜版上均勻密布有直徑為90μm的圓形孔；將二氧化硅靶材替換為Ag靶材，清洗腔體；

（2）對(duì)腔體抽真空至2×10^-4Pa；腔體內(nèi)通入流量為25sccm的Ar，調(diào)整接口閥10使腔體內(nèi)的壓強(qiáng)維持在1-6Pa，打開(kāi)控制銀靶材起輝的直流源，調(diào)整直流源功率為10W，使銀靶材起輝，預(yù)濺射5min；之后正式濺射10min，在第二SiO₂膜層上形成Ag電極層，即制備了神經(jīng)仿生器件。

以上所述的實(shí)施方式是本發(fā)明所保護(hù)的制備方法中的任意一種實(shí)施例，其只要在權(quán)利要求及說(shuō)明書(shū)中所描述的工藝參數(shù)的范圍內(nèi)均可獲得本發(fā)明所要保護(hù)的神經(jīng)仿生器，且所制備的神經(jīng)仿生器件與本實(shí)施例所制備的器件具有同樣或類(lèi)似的性能。

本發(fā)明所制造出來(lái)的器件具有電子突觸功能，一般突觸的功能，具體為活動(dòng)時(shí)序依賴(lài)突觸可塑性（Spike-Time-Depend Plasticity, STDP），涉及到突觸前刺激和突觸后刺激的共同作用。在電子突觸器件中，器件的兩端分別代表了突觸前和突觸后，兩個(gè)極性的電脈沖分別施加在這兩端作為突觸前刺激和突觸后刺激，以改變電壓值作為不同的刺激，來(lái)改變電阻。

實(shí)施例3

對(duì)實(shí)施例2所制備的神經(jīng)仿生器件施加電壓進(jìn)行掃描，其結(jié)果如圖3所示。給實(shí)施例2所制備的神經(jīng)仿生器件的Ag電極層上施加一個(gè)正電壓，電流急劇增大至限流，器件處于低阻態(tài)，當(dāng)在器件的Ag電極層上施加負(fù)相電壓時(shí)，器件的電流急劇減小，電阻由低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)。且當(dāng)前電壓變化總是以前一次電壓值為基礎(chǔ)增長(zhǎng)。本發(fā)明所制備的神經(jīng)仿生器件呈現(xiàn)出的阻變特性物理機(jī)制是導(dǎo)電細(xì)絲阻變機(jī)制，其原理是導(dǎo)電細(xì)絲的形成和斷裂實(shí)現(xiàn)電阻高低的轉(zhuǎn)換。當(dāng)給實(shí)施例2所制備的神經(jīng)仿生器件施加正向電壓時(shí)，電場(chǎng)作用下的金屬離子形成的導(dǎo)電通道使得電流急劇增大，器件處于低阻狀態(tài)。施加負(fù)向電壓后，高電流產(chǎn)生的焦耳熱導(dǎo)致導(dǎo)電細(xì)絲斷裂，使得電流急劇減小，器件又變?yōu)楦咦钁B(tài)。圖中顯示，對(duì)神經(jīng)仿生器件施加不同的電壓，得到的I-V特性曲線基本相同，其阻值會(huì)隨著施加電壓變化而發(fā)生變化，并能夠記住先前的狀態(tài)，使電壓呈現(xiàn)連續(xù)性變化。所制備器件的非線性性、記憶性和神經(jīng)突觸的原理有著很高的相似性。

在實(shí)施例2所制備的神經(jīng)仿生器件上，通過(guò)將電子突觸器件添加到簡(jiǎn)單電路中，分別測(cè)量源表電壓值和標(biāo)準(zhǔn)電阻電壓值，通過(guò)改變?cè)幢黼妷海瑢⑵渲悼刂圃?1V~0.5V之間，其結(jié)果如圖4所示。圖中當(dāng)施加在源表的電壓大于0 V時(shí)，逐漸增大源表的電壓，通過(guò)神經(jīng)仿生器件的電流也逐漸增大，且其電阻逐漸減小。當(dāng)施加在源表的電壓小于0V時(shí)，從-0.8V降至0V的過(guò)程中，通過(guò)神經(jīng)仿生器件的電流逐漸減小，其電阻逐漸增大。充分說(shuō)明脈沖信號(hào)大小的變化可引起器件電阻的變化，且電阻的變化是非線性的。這樣，模擬神經(jīng)突觸時(shí)，突觸對(duì)外界刺激的感知可很好的用電壓的變化表示出來(lái)。

將實(shí)施例2所制備的神經(jīng)仿生器件兩端作為兩個(gè)輸入，代表了突觸前刺激和突觸后刺激，對(duì)神經(jīng)仿生器件的活動(dòng)時(shí)序依賴(lài)突觸可塑性（STDP）進(jìn)行檢測(cè)，其結(jié)果如圖5所示。在器件的兩個(gè)輸入端先后加入幅值大小相同的電脈沖，將脈沖時(shí)間差設(shè)置成10μs，以電導(dǎo)G的大小表示突觸權(quán)重的大小，突觸權(quán)重的變化量ΔW為電導(dǎo)相對(duì)變化量。圖5中，當(dāng)脈沖時(shí)間差Δt>0 時(shí)，其權(quán)重W減小，器件電阻增加；當(dāng)Δt<0 時(shí)，權(quán)重增大，器件電阻減小。且脈沖時(shí)間差越小，權(quán)重變化量ΔW越大，脈沖時(shí)間差越大，權(quán)重變化量ΔW越小，當(dāng)脈沖時(shí)間差大到一定程度時(shí)，權(quán)重變化量ΔW趨近于零。改變通過(guò)突觸前后電壓脈沖時(shí)間差控制電脈沖幅值大小，影響兩者疊加的效果，控制電阻的變化，證明所制備的電子仿生器件具有STDP的功能，其可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)突觸功能。

以上所述的具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的最優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補(bǔ)充和等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。