CN102923676B - 一种适用于浪涌保护器件的硫系化合物薄膜材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电路中的浪涌保护器件领域，特别是涉及一种适用于浪涌保护器件的硫系化合物薄膜材料。本发明提供一种适用于浪涌保护器件的硫系化合物薄膜材料，所述硫系化合物薄膜材料为Ge、Al、As、Sb、Te、S或Se中任意两种以上的元素按任意比例所组成的化合物。本发明针对硫系化合物所独有的阈值导通特性来实现对电路的过压保护，其工作原理与半导体浪涌保护器件完全不同，是一种新型的浪涌保护器件。
Description
技术领域
本发明涉及电路中的浪涌保护器件领域，特别是涉及一种适用于浪涌保护器件的硫系化合物薄膜材料。
背景技术
浪涌也叫突波，顾名思义就是超出正常工作电压的瞬间过电压。本质上讲，浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。
SPD信息时代的今天，电脑网络和通讯设备越来越精密，其工作环境的要求也越来越高，而雷电以及大型电气设备的瞬间过电压会越来越频繁的通过电源、天线、无线电信号收发设备等线路侵入室内电气设备和网络设备，造成设备或元器件损坏，人员伤亡，传输或储存的数据受到干扰或丢失，甚至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪、系统停顿，数据传输中断，局域网乃至广域网遭到破坏。浪涌保护装置就是通过现代电学以及其它技术来防止被雷击中的设备。
浪涌保护器（Surge protection Device）作为电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，也叫防雷器，是一种为各种电子设备、仪器仪表、通讯线路提供安全防护的电子装置。当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。
常用的低电压浪涌保护装置如气体放电管、雪崩二极管等都属于半导体浪涌保护装置。一般半导体浪涌保护装置基底上安装了诸如pnpn浪涌保护元件或者pn二极管元件，这大大增大了产品的尺寸，增加了芯片的面积，使得产品昂贵。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种适用于浪涌保护器件的硫系化合物薄膜材料，并通过所述硫系化合物薄膜材料制备一种新型的浪涌保护器件，用于解决现有技术中的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种适用于浪涌保护器件的硫系化合物薄膜材料，所述硫系化合物薄膜材料为Ge、Al、As、Sb、Te、S或Se中任意两种以上的元素按任意比例所组成的化合物。
优选的，所述硫系化合物薄膜材料选自GeTe4、Al5As2Te3、Al5Sb2Te3、Al5Sb2Se3、Al5Sb2S3、GeAl5As2Te3、GeAl5Sb2Te3、GeAl5Sb2Se3或GeAl5Sb2S3。
本发明第二方面提供所述适用于浪涌保护器件的硫系化合物薄膜材料的制备方法，其制备方法选自磁控溅射法、化学气相沉积法或原子层沉积法。
优选的，所述磁控溅射法选自单靶磁控溅射法和多靶磁控溅射法，所述多靶磁控溅射法以各元素单质靶为源，通过多靶磁控溅射制备硫系化合物薄膜；所述单靶磁控溅射法以与目标薄膜材料具有相同成分的合金靶为源，通过单靶磁控溅射制备硫系化合物薄膜。
本领域技术人员可根据经验选择适当的条件，通过磁控溅射法制备所述硫系化合物薄膜材料。
本发明第三方面提供所述适用于浪涌保护器件的硫系化合物薄膜材料在制备浪涌保护器件领域的应用。
本发明第四方面提供所述适用于浪涌保护器件的硫系化合物薄膜材料所制备的一种浪涌保护器件，该浪涌保护器件包括下电极、位于该下电极上的下加热电极、位于下加热电极上的硫系化合物薄膜以及位于所述硫系化合物薄膜上的上电极；所述硫系化合物薄膜下部通过下加热电极与下电极达成电性连接；所述硫系化合物薄膜上部与上电极达成电性连接；所述硫系化合物薄膜（即相变材料层）由所述硫系化合物薄膜材料所制备的。
优选的，所述浪涌保护器件还包括包围所述下加热电极并位于所述下电极与所述硫系化合物薄膜之间的绝热材料层。
优选的，所述浪涌保护器件的两端电势差未超过阈值电压时，其处于关闭所述浪涌保护器件上电极与下电极之间通路的状态；所述浪涌保护器件的两端电势差超过阈值电压时，其处于导通所述浪涌保护器件上电极与下电极通路的状态。
所述阀值电压可通过调节相变材料层厚度调节，厚度越大阈值电压越大。具体的阈值电压比器件中正常工作的电压相关稍高，以起到保护器件的作用，同时不影响器件的正常工作。
优选的，阈值电压值为电路工作电压值的2倍到5倍。
本发明提供的一种基于硫系化合物薄膜材料所制备的一种浪涌保护器件，该器件利用硫系化合物的阈值导通特性来实现过压浪涌保护。阈值导通特性是指，所采用硫系化合物材料处于非晶态时，对材料施加相应电信号，在材料上电压达到和超过阈值电压时，材料电阻出现由高阻向低阻的突变，但材料并不发生微观物相转变，撤除电信号后材料回复初始的非晶高阻态，从而实现过压浪涌保护。
本发明针对硫系化合物所独有的阈值导通特性来实现对电路的过压保护，其工作原理与半导体浪涌保护器件完全不同，是一种新型的浪涌保护器件。当通过器件的电压达到阈值电压时，硫系化合物的电阻会从高阻突变到低阻，这个响应速度是ns量级。同时本发明器件的实现只需要在常规的CMOS工艺两层金属层中间添加一层硫系化合物薄膜即可完成基本构造，所需面积极小，阈值电压可调，且制造工艺与CMOS工艺兼容，大大降低了产品的成本。下图为典型硫系化合物阈值特性I-V曲线，由图可以很清楚的看到当外加电压达到阈值电压时，器件电阻出现一个由高阻到低阻的突变，同时大电流低电压情况出现，由此实现过电压浪涌保护。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图；
图2是典型硫系化合物阈值特性I-V曲线。
元件标号说明
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；所有压力值和范围都是指绝对压力。本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1-9
请参阅图1，是本发明一个实施例的横截面结构示意图，图中仅表示本发明的核心结构，包括下电极（2）、下加热电极（3）、硫系化合物薄膜（5）和上电极（6）。如图1所示，下加热电极（3）、硫系化合物薄膜（5）和上电极（6）自上而下的设置在下电极（2）上。硫系化合物薄膜（5）（即相变材料层）通过下加热电极（4）与下电极（2）形成电性连接，硫系化合物薄膜（5）上部与上电极（6）形成电性连接。
本发明的各部件所采用的材料如表1所示：
| 下电极(2) | 下加热电极(3) | 绝缘材料层（4） | 硫系化合物薄膜（5） | 上电极（6） | |
| 实施例1 | W | TIN | SiO2 | GeTe4 | Al |
| 实施例2 | TIN | TIN | Si3N4 | Al5As2Te3 | Al |
| 实施例3 | TIN | TIN | SiO2 | Al5Sb2Te3 | CU |
| 实施例4 | W | TIN | Si3N4 | Al5Sb2Se3 | CU |
| 实施例5 | W | TIN | SiO2 | Al5Sb2S3 | CU |
| 实施例6 | TIN | TIN | Si3N4 | GeAl5As2Te3 | Al |
| 实施例7 | W | TIN | SiO2 | GeAl5Sb2Te3 | Al |
| 实施例8 | TIN | TIN | Si3N4 | GeAl5Sb2Se3 | CU |
| 实施例9 | W | TIN | SiO2 | GeAl5Sb2S3 | CU |
W=钨
TIN=氮化钛
经验证，GeTe4、Al5As2Te3、Al5Sb2Te3、Al5Sb2Se3、Al5Sb2S3、GeAl5As2Te3、GeAl5Sb2Te3、GeAl5Sb2Se3、或GeAl5Sb2S3等，该类材料具备OTS（Ovonic Threshold Switching）特性而不具备OMS（Ovonic Memory Switching）特性，即经过阈值之后出现显著的电阻下降电流陡增现象，但材料不发生微观物相转变，电作用撤除后即回复到初始状态。
为进一步突显本发明的原理及功效，请参阅图2，显示为本发明浪涌保护器件的电流电压曲线。当浪涌保护器件两端的电势差从零开始增加阈值电压Vth之前时，浪涌保护器件体现出高电阻值。当浪涌保护器件两端电势差超过阈值电压的时候，浪涌保护器件开始导通，体现出低电阻值。当流经浪涌保护器件的电流小于保持电流IH时，浪涌保护器件会重新恢复高电阻状态，关闭导电通路。
本发明针对硫系化合物所独有的阈值导通特性来实现对电路的过压保护，其工作原理与半导体浪涌保护器件完全不同，是一种新型的浪涌保护器件。当通过器件的电压达到阈值电压时，硫系化合物的电阻会从高阻突变到低阻，这个响应速度是ns量级。同时本发明器件的实现只需要在常规的CMOS工艺两层金属层中间添加一层硫系化合物薄膜即可完成基本构造，所需面积极小，阈值电压可调，且制造工艺与CMOS工艺兼容，大大降低了产品的成本。下图为典型硫系化合物阈值特性I-V曲线，由图可以很清楚的看到当外加电压达到阈值电压时，器件电阻出现一个由高阻到低阻的突变，同时大电流低电压情况出现，由此实现过电压浪涌保护。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种适用于浪涌保护器件的硫系化合物薄膜材料，所述硫系化合物薄膜材料选自Al5Sb2Te3、Al5Sb2Se3、Al5Sb2S3、GeAl5Sb2Te3、GeAl5Sb2Se3或GeAl5Sb2S3。
2.如权利要求1任一权利要求所述的适用于浪涌保护器件的硫系化合物薄膜材料的制备方法，其制备方法选自磁控溅射法、化学气相沉积法或原子层沉积法。
3.如权利要求2所述的适用于浪涌保护器件的硫系化合物薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射法选自单靶磁控溅射法和多靶磁控溅射法，所述多靶磁控溅射法以各元素单质靶为源，通过多靶磁控溅射制备硫系化合物薄膜；所述单靶磁控溅射法以与目标薄膜材料具有相同成分的合金靶为源，通过单靶磁控溅射制备硫系化合物薄膜。
4.如权利要求1所述的适用于浪涌保护器件的硫系化合物薄膜材料在制备浪涌保护器件领域的应用。
5.如权利要求1所述的适用于浪涌保护器件的硫系化合物薄膜材料所制备的一种浪涌保护器件，该浪涌保护器件包括下电极(2)、位于该下电极(2)上的下加热电极(3)、位于下加热电极(3)上的硫系化合物薄膜(5)以及位于所述硫系化合物薄膜(5)上的上电极(6)；所述硫系化合物薄膜(5)下部通过下加热电极(3)与下电极(2)达成电性连接；所述硫系化合物薄膜(5)上部与上电极(6)达成电性连接；所述硫系化合物薄膜(5)由所述硫系化合物薄膜材料所制备的。
6.如权利要求5所述的一种浪涌保护器件，其特征在于，所述浪涌保护器件还包括包围所述下加热电极(3)并位于所述下电极(2)与所述硫系化合物薄膜(5)之间的绝热材料层(4)。
7.如权利要求5所述的一种浪涌保护器件，其特征在于，所述浪涌保护器件的两端电势差未超过阈值电压时，其处于关闭所述浪涌保护器件上电极(6)与下电极(2)之间通路的状态；所述浪涌保护器件的两端电势差超过阈值电压时，其处于导通所述浪涌保护器件上电极(6)与下电极(2)通路的状态。
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