CN102931348A - 一种引线忆阻器及其制备方法 - Google Patents

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本发明属于半导体、电子元器件技术领域，特别涉及一种引线忆阻器及其制备方法。本发明两条引线分别与1个电极相连，两电极平行正对分布，并通过位于两电极之间的作为有效忆阻功能介质材料相连；所组成的引线忆阻器在电压或电流的加载下对外显示高低电阻状态转变，并且此种阻态转变具有对时间的记忆效应。通过将有效忆阻功能介质材料与电极制备成三明治结构，在三明治结构两端电极上设置引线，再包覆绝缘保护层并在结构空隙中填充绝缘材料得到完整引线忆阻器。本发明的制造方法简单，成本低，可获得一种能够用于电子电路、数字电子领域的新型无源电子元件，可提高现有数字电路的集成性和功能性，促进电子产品向更轻、更薄、功能更丰富的方向发展。

Description

一种引线忆阻器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体、电子元器件技术领域，特别涉及一种引线忆阻器及其制备方法。
背景技术
忆阻器的概念由Leon Chua在1971年提出，得名于元件电阻对通过其电量的依赖性和记录性，被认为是除电阻、电容和电感外的第四个基本无源电路元件。忆阻器电阻由M(q)=dΦ/dq描述，即忆阻器阻值与加载在其两端的电压和电流的时间积分相关。对电阻的时间记忆特性使忆阻器在模型分析、基础电路设计、电路器件设计、存储器件、模拟电路和对神经网络记忆行为的仿真等众多领域具有广阔的应用前景。
忆阻行为在众多的材料体系中已有体现，如热敏电阻，离子系统，放电管，但直到在2008年惠普公司的Strukov等人成功以夹在铂金电极中间的TiO2实现明显的忆阻行为，忆阻器作为第四个基本无源电路元件才被广泛关注。越来越多的材料体系和结构被证实具有忆阻效应，如金属氧化物半导体薄膜（TiO2，VO2等），铁磁材料，纳米颗粒聚集体，稀土金属氧化物，钙钛矿结构的化合物等。现在，忆阻器已成为电子电路、信息存储、材料合成和制备、生物智能网络等领域的研究热点。然而，截至目前大多数忆阻器都是纳米尺度上的薄膜器件，能够用于宏观电路上的引线忆阻器并未见诸报道。引线忆阻器作为一种基本电路元件，能够赋予现有的电路设计以更丰富的功能性，可提高相应电路板集成性，同时能为宏观电子产品，如平板电视，向结构更轻、更薄，功能更丰富的方向发展提供新机遇。
发明内容
本发明的目的是提供一种引线忆阻器及其制备方法，能够作为除电阻、电容、电感外的第四种基本无源电路元件实现存储、仿真等功能，在应用中能够丰富现有的电路功能设计，提高现有电路产品功能化、集成化的水平，并为新型电路电子器件的研发和创新提供可能。
一种引线忆阻器，其两条引线分别与1个电极相连，两电极平行正对分布，并通过位于两电极之间的作为有效忆阻功能介质材料相连；所组成的引线忆阻器在电压或电流的加载下对外显示高低电阻状态转变，并且此种阻态转变具有对时间的记忆效应。
所述电极的材料是Au、Pt、Cu、Ag或Ni金属及其导电合金材料，或导电碳材料、导电玻璃、导电有机物材料。
所述引线的材料是Cu、Ag或Fe金属。
所述有效忆阻功能介质材料为ZrO2、Gd2O3、HfO2、TiO2、SiO2、WOx (0≤x≤3)、CuOy (0≤y≤1)、TaOz (0≤z≤2.5)、VO2、MFe2O4、Si、SrTiO3-cNd (0≤c≤3,d=2c/3)、LiNbO2和Nb2O5中的一种或多种。
所述MFe2O4中M为Mn、Fe、Co或Ni。
在引线忆阻器外包覆一层绝缘材料保护层，并在其与引线忆阻器形成的空间中填充绝缘填充材料，两条引线同侧设置或对向设置。
所述绝缘材料保护层或绝缘填充材料为聚氯乙烯、聚乙烯或树脂绝缘材料中的一种或多种。
一种引线忆阻器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
a. 选取和制备合适体系的有效忆阻功能介质材料；
b. 将步骤a中得到的有效忆阻功能介质材料与电极通过涂覆、压模、蒸镀、溅射或沉积的方法制备成三明治结构，其中有效忆阻功能介质材料位于两电极的中间；
c. 通过点焊或粘结的方法向步骤b中得到的三明治结构两端的电极上添加引线，得到有效忆阻器结构；
d. 通过向步骤c中所获得的有效忆阻器结构包覆绝缘保护层，并在结构空隙中填入绝缘介质得到完整的引线忆阻器。
本发明的有益效果为：
本发明的制造方法简单，成本低，可获得一种能够用于电子电路、数字电子领域的新型无源电子元件，可提高现有数字电路的集成性和功能性，促进电子产品向更轻、更薄、功能更丰富的方向发展。
附图说明
图1为本发明的功能性核心结构示意图；
图2为本发明的一种同侧结构示意图；
图3为本发明Ι-Ι面的横截面示意图；
图4为本发明的一种对向结构示意图；
图5为本发明ΙΙ-ΙΙ面的横截面示意图；
图6为本发明的一种典型的电流电压（IV）曲线；
图7为本发明的另一种典型的电流电压（IV）曲线；
图中标号：1-引线；2-电极；3-有效忆阻功能介质材料；4-绝缘材料保护层；5-绝缘填充材料。
具体实施方式
本发明提供了一种引线忆阻器及其制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种引线忆阻器，其两条引线1分别与1个电极2相连，两电极2平行正对分布，并通过位于两电极2之间的作为有效忆阻功能介质材料3相连；所组成的引线忆阻器在电压或电流的加载下对外显示高低电阻状态转变，并且此种阻态转变具有对时间的记忆效应。
所述电极2的材料是Au、Pt、Cu、Ag或Ni金属及其导电合金材料，或导电碳材料、导电玻璃、导电有机物材料。
所述引线1的材料是Cu、Ag或Fe金属。
所述有效忆阻功能介质材料3为ZrO2、Gd2O3、HfO2、TiO2、SiO2、WOx (0≤x≤3)、CuOy (0≤y≤1)、TaOz (0≤z≤2.5)、VO2、MFe2O4、Si、SrTiO3-cNd (0≤c≤3,d=2c/3)、LiNbO2和Nb2O5中的一种或多种。
所述MFe2O4中M为Mn、Fe、Co或Ni。
在引线忆阻器外包覆一层绝缘材料保护层4，并在其与引线忆阻器形成的空间中填充绝缘填充材料5，两条引线1同侧设置或对向设置。
所述绝缘材料保护层4或绝缘填充材料5为聚氯乙烯、聚乙烯或树脂绝缘材料中的一种或多种。
如图1所示，本发明提出了引线忆阻器具有一种形如三明治的核心结构包括：有效忆阻功能介质材料3，夹在其两端的电极2和连接在电极上的引线1组成。其中有效忆阻功能介质材料3为具有忆阻效应的功能材料，由ZrO2、Gd2O3、HfO2、TiO2、SiO2、WOx (0≤x≤3)、CuOy (0≤y≤1)、TaOz (0≤z≤2.5)、VO2、MFe2O4、Si、SrTiO3-cNd (0≤c≤3,d=2c/3)、LiNbO2和Nb2O5中的一种或多种组成。电极材料为Au，Pt，Cu，Ag，Ni等金属材料组成，引线由Fe，Cu，Al或表面镀膜的上述材料制成。
实施例1
本实施例所述的引线忆阻器为同侧引线忆阻器，即引线忆阻器的引线1在器件的同侧成脚状分布。同侧引线忆阻器可较好地与现有的数字电子电路相匹配，因而能够使用引线电容器的工艺程序进行生产、加工和装配。如图2所示，引线忆阻器由如图1中所示的核心结构将引线1同向扭转后，再用绝缘树脂等材料进行填充和包覆获得。
图3给出沿图2中Ι-Ι方向的横截面视图，可见其核心忆阻部分与图1相同。其中有效忆阻功能介质材料3可通过化学反应、压模、烧结、微加工等材料制备手段获得，端部电极可由相应电极材料经过涂覆、压模、蒸镀、溅射、沉积等方法添加，在引线1焊接、粘连到电极2后，经过绝缘材料的填充和包覆，即可完成同侧引线忆阻器的制作。
实施例2
本实施例所述的引线忆阻器为对向引线忆阻器，即引线忆阻器的引线1在器件的对向分布。对向忆阻器作为基本无源电路元器件，在搭建物理模型、演示忆阻行为等方面具有重要的作用。图4中给出了一种对向引线忆阻器的结构示意图，由位于中间的器件功能部分和在其两侧的引线1组成。
图5给出了沿图4中ΙΙ-ΙΙ方向的横截面视图，可见图4中忆阻器功能部分包含图1中所示的核心结构，即连接引线1的电极2中夹入有效忆阻功能介质材料3，外层即为绝缘填充材料5和绝缘材料保护层4。
成功制作的引线忆阻器应具有形如图6和图7的电路响应。图6中引线忆阻器初始电阻状态为高电阻状态，在电压上升的过程中经历由高电阻向低电阻的转换，并维持此种电阻状态，直到施加反向阈值电压才完成由低电阻到高电阻的重置。与图6相反，图7中给出了一种低初始电阻状态的引线忆阻器电路响应结果示意图。由于引线忆阻器对外电路的响应取决于图1中所示有效忆阻功能介质材料及其结构，因而会对外呈现出的电路响应不限于图6和图7所示，凡在加载过程中电阻出现转变，并能单向或双向保持的现象，均可认为是忆阻行为。

Claims (8)

1.一种引线忆阻器，其特征在于：两条引线（1）分别与1个电极（2）相连，两电极（2）平行正对分布，并通过位于两电极（2）之间的作为有效忆阻功能介质材料（3）相连；所组成的引线忆阻器在电压或电流的加载下对外显示高低电阻状态转变，并且此种阻态转变具有对时间的记忆效应。
2.根据权利要求1所述的一种引线忆阻器，其特征在于：所述电极（2）的材料是Au、Pt、Cu、Ag或Ni金属及其导电合金材料，或导电碳材料、导电玻璃、导电有机物材料。
3.根据权利要求1所述的一种引线忆阻器，其特征在于：所述引线（1）的材料是Cu、Ag或Fe金属。
4.根据权利要求1所述的一种引线忆阻器，其特征在于：所述有效忆阻功能介质材料（3）为ZrO2、Gd2O3、HfO2、TiO2、SiO2、WOx (0≤x≤3)、CuOy (0≤y≤1)、TaOz (0≤z≤2.5)、VO2、MFe2O4、Si、SrTiO3-cNd (0≤c≤3,d=2c/3)、LiNbO2和Nb2O5中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的一种引线忆阻器，其特征在于：所述MFe2O4中M为Mn、Fe、Co或Ni。
6.根据权利要求1所述的一种引线忆阻器，其特征在于：在引线忆阻器外包覆一层绝缘材料保护层（4），并在其与引线忆阻器形成的空间中填充绝缘填充材料（5），两条引线（1）同侧设置或对向设置。
7.根据权利要求6所述的一种引线忆阻器，其特征在于：所述绝缘材料保护层（4）或绝缘填充材料（5）为聚氯乙烯、聚乙烯或树脂绝缘材料中的一种或多种。
8.一种如权利要求1~7任一权利要求所述的引线忆阻器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
a. 选取和制备合适体系的有效忆阻功能介质材料；
b. 将步骤a中得到的有效忆阻功能介质材料与电极通过涂覆、压模、蒸镀、溅射或沉积的方法制备成三明治结构，其中有效忆阻功能介质材料位于两电极的中间；
c. 通过点焊或粘结的方法向步骤b中得到的三明治结构两端的电极上添加引线，得到有效忆阻器结构；
d. 通过向步骤c中所获得的有效忆阻器结构包覆绝缘保护层，并在结构空隙中填入绝缘介质得到完整的引线忆阻器。
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