CN103050623B - 一种具备多阻态特性的二阶忆阻器及其调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备多阻态特性的二阶忆阻器，该忆阻器的器件单元包括上电极、下电极以及位于上下电极之间的功能材料层，其中所述功能材料层由分子式结构为Ge2Sb2Te5、Sb2Te3或GeTe的硫系化合物制成，所述上、下电极中的至少一个由Ag或Cu制成。本发明还公开了相应的调制方法。通过本发明，能够获得具有多个内部状态变量以产生多重忆阻效应的二阶忆阻器，同时具备结构简单、尺寸可至纳米级和易于制备等优点。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件领域，更具体地，涉及一种具备多阻态特性的二阶忆阻器及其调制方法。
背景技术
1971年加州大学伯克利分校的蔡少棠教授理论最早预测了除电阻、电容、电感以外的第四种无源电路元件——忆阻器。它的基本特征是能够记忆流经的电荷，并以电阻的变化反应出来。由于忆阻器具备尺寸小、功耗低、速度快、非易失性等优点，因此成为了下一代非易失性存储器的重要候选。此外，忆阻器所具备的电路特性、非线性的阻变行为以及电荷记忆等特征，使得忆阻器在材料、电子、生物、化学和计算机等多个领域均获得了广泛应用，是当前国际研究的热点之一所在。
自从二氧化钛最先被提出可作为忆阻功能材料以来，很多材料相继被发现具有忆阻效应。2007年，R.Pandian等发现在多晶态下的相变材料Ge-Sb-Te薄膜中也具有忆阻效应，利用Ge-Sb-Te薄膜中多余的金属离子在晶界处移动也能产生不依赖于相变的忆阻特性；密歇根大学的研究团队同样利用Ag离子在非晶硅中的移动形成导电通道来产生忆阻效应；此外，EP2443657A1中公开了一种利用金属氧化物中空位的迁移来调节器件电阻以产生忆阻效应的存储器。
然而，对于现有技术中的这些忆阻器器件而言，其均为单阶忆阻器，也即内部的状态变量都仅有一个，包括电子自旋极化方向、电子势垒高度等。这类单阶忆阻器要么仅利用金属离子的移动来产生忆阻效应，要么仅利用材料晶相变化来产生忆阻效应，缺乏能够同时实现以上两种忆阻产生过程的两阶或多阶忆阻器器件。而事实上，忆阻器器件因其阶数的不同将会体现出更丰富的应用潜力。相应地，本领域中存在着对忆阻器的构造及其调制方法作出进一步改进，以便获得多阶忆阻器的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或技术需求，本发明的目的在于提供一种具备多阻态特性的二阶忆阻器及其调制方法，其中通过对忆阻器关键材料的选择及其调制方法上的改进，相应能够获得具有多个内部状态变量以产生多重忆阻效应的二阶忆阻器，同时具备结构简单、尺寸可至纳米级和易于制备等优点。
按照本发明的一个方面，提供了一种具备多阻态特性的二阶忆阻器，该忆阻器的器件单元包括上电极、下电极以及位于上下电极之间的功能材料层，其特征在于：所述功能材料层由分子式结构为Ge2Sb2Te5、Sb2Te3或GeTe的硫系化合物制成，所述上、下电极中的至少一个由Ag或Cu制成。
通过以上构思，按照本发明的二阶忆阻器作为一种两端器件，一方面电极的金属离子可在硫系化合物界面处发生氧化-还原反应，生成的活性金属离子在电场作用下进入功能材料内，并且不同极性的外压电压会使活性金属离子朝不同方向迁移产生忆阻效应，即金属离子的移动支配着忆阻效应；另一方面，大量的测试试验表明，上述硫系相变材料在一定电流作用下可发生晶相变化，相应也会导致忆阻器器件阻值的变化，这样通过改变操作方式可以使得功能材料层发生晶相变化，从而达到调制忆阻器器件忆阻特性的目的。以此方式，能够产生多重忆阻效应，并获得具备多阻态特性的二阶忆阻器，且其尺寸可至纳米级。
作为进一步优选地，所述忆阻器器件单元还包括有由Ag或Cu构成的金属接触层，该金属接触层设置在下电极与功能材料层之间并与其形成电接触。
作为进一步优选地，所述上电极、功能材料层以及下电极共同形成十字交叉状结构。
作为进一步优选地，所述功能材料层的厚度为10nm～100nm，所述上、下电极的厚度分别为10nm～500nm。
作为进一步优选地，所述二阶忆阻器包括多个器件单元，这些器件单元以阵列或网络的形式共同构成忆阻器。
按照本发明的另一方面，还提供了相应的二阶忆阻器调制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
（a）对二阶忆阻器的器件单元施加限制电流或限制电压，并对其相应执行直流电压扫描或直流电流扫描，由此使得各个器件单元在其功能材料层处于非晶态状态下呈现忆阻特性；
（b）对限制电流/直流电压扫描或限制电压/直流电流扫描的范围予以调整，直至功能材料层呈现晶相变化，由此使得各个器件单元在其功能材料层处于静态状态下呈现忆阻特性。
作为进一步优选地，在步骤（a）中，所述限制电流的范围为1uA-100uA，所述限制电压的范围为0.1V-5V。
总体而言，按照本发明的二阶忆阻器及其调制方法与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、通过对忆阻器的上下电极和功能材料层的具体材料选择，所制得的忆阻器能能够同时利用金属离子的移动和材料晶相变化来产生忆阻效应，因而可产生多重忆阻效应，具备多阻态特性；
2、按照本发明的二阶忆阻器尺寸小、结构简单，易于制备，有较大的潜力应用于高密度存储领域，尤其能够对更多阶的忆阻器的实现提供了新的发展方向。
附图说明
图1是按照本发明的二阶忆阻器器件单元的主体结构示意图；
图2是由图1中所示的多个器件单元所共同构成的二阶忆阻器的结构示意图；
图3是按照本发明的二阶忆阻器器件单元的电流-电压特性曲线图；
图4是按照本发明的二阶忆阻器器件单元的晶相转移曲线图；
图5是按照本发明的二阶忆阻器器件单元的阻值对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是按照本发明的二阶忆阻器器件单元的主体结构示意图。如图1中所示，按照本发明的二阶忆阻器的器件单元主要包括下电极101、上电极104以及位于上下电极之间的功能材料层103。其中，所述功能材料层103是硫系相变材料，也属于固态电解质类材料，通常为Ge-Te、Ge-Sb-Te或Ag-Ge-Te等，其分子式结构譬如为Ge2Sb2Te5、Sb2Te3或GeTe。所述上、下电极104、101中的至少一个需采用Ag或Cu这类的活性金属制成。通过以上的材料选择及配合，这样一方面，电极的活性金属可以与硫系化合物界面处发生氧化还原反应，生成的活性金属离子在电场作用下进入功能材料内迁移，不同极性的外加电压使活性金属离子朝不同方向迁移产生忆阻效应，即金属离子的移动支配着忆阻效应；另一反面，硫系相变材料在一定电流作用下会发生晶相变化，也会导致器件阻值的变化，由此通过改变操作方式，使器件功能层材料发生晶相变化，从而可调节器件的忆阻特性并使得按照本发明的二阶忆阻器整体呈现多阻态特性。
如图1中所示，在下电极101与功能材料层103之间还设置有金属接触层102，该金属接触层102譬如由Ag或Cu这类的活性金属制成，并与下电极101、功能材料层103分别形成电接触。之所以增设金属接触层102，主要是考虑到当通过光刻工艺等进行下电极与功能材料层之间的加工时，可能会引入界面污染，并影响到活性金属离子在功能材料层内的移动，为了避免以上问题，在本发明的一个优选实施方式中增加了金属接触层，这样下电极101与金属接触层102之间可以执行光刻工艺，而金属接触层102与功能材料层103依次通过溅射工艺来完成。
在另外一个优选实施方式中，所述下电极101、功能材料层103以及上电极104共同形成了十字交叉状结构。具体如图1中所示，在该十字交叉状结构中，下电极101例如沿着水平方向纵向排列，上电极104沿着水平方向横向排列，而处于上下电极之间的功能材料层103则沿着竖直方向排列并分别与上下电极相垂直（如果存在金属接触层102的话，该金属接触层与功能材料层103相层叠，并同样沿着竖直方向排列且分别垂直于上下电极），该结构能带来工艺简单、集成度高等优点，并尤其适用于按照本发明的多阶忆阻器。
图2是由图1中所示的多个器件单元所共同构成的二阶忆阻器的结构示意图。如图2中所示，该多阶忆阻器包括多个器件单元，而且这些器件单元呈现为阵列或网络的形式，所示阵列100中同一行的多个器件单元共同一个上电极，而同一列的多个器件单元共用同一个下电极。此外，对于各个器件单元而言，所述功能材料层的厚度为10nm～100nm，所述上、下电极的厚度分别为10nm～500nm。
下面将参照图2来具体描述对按照本发明的二阶忆阻器执行调制使其具产生多重忆阻效应的操作过程，在操作过程中，下电极接地，上电极与信号源相连接。
初始状态下，功能材料层为非晶态，为了防止功能材料层因焦耳热发生相变，在初次操作的过程中施加一合适的限制电流，本实施例中为50uA，并进行双向电压扫描，这样在基于非晶态的功能材料层下，器件单元体现出忆阻特性；
接着，通过增大直流扫描范围并撤去限制电流，功能材料层因焦耳热发生相变到达晶态，在基于晶态的功能材料层下，器件单元仍体现出忆阻特性。如图2中所示，虽然不同晶态下的忆阻行为趋势一致，但对应的高/低阻值与阈值差异较大，展示了功能层的晶相转变对忆阻特性的调制效应。
图4是按照本发明的二阶忆阻器器件单元的晶相转移曲线图。如图4中所示，在限制电流的作用下，器件基于非晶态的功能层体现忆阻特性；增大扫描范围，器件功能层由非晶态转变为晶态，仍体现忆阻特性。此外，如图5中所示，显示按照本发明的二阶忆阻器具备多阻态特性，其中阻值切换次数提取自直流扫描作用下的切换曲线。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种用于对忆阻器执行调制以使其呈现二重忆阻效应的方法，该忆阻器由呈阵列形式的多个器件单元共同构成，各个器件单元分别包括上电极、下电极以及位于上下电极之间的功能材料层，其中该功能材料层由分子式结构为Ge2Sb2Te5、Sb2Te3或GeTe的硫系化合物制成，该上、下电极中的至少一个由Ag或Cu制成，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)在初始状态，在防止所述功能材料层因焦耳热发生相变的条件下对忆阻器的器件单元施加限制电流，并对其相应执行双向直流电压扫描，由此直接利用金属离子的移动，使得各个器件单元在其功能材料层处于非晶态状态下体现出忆阻特性；
(b)接着，增大直流电压扫描范围并撤去限制电流，所述功能材料层因焦耳热发生相变到达晶态，由此利用材料晶相变化使得各个器件单元在其功能材料层处于晶态状态下仍然体现出忆阻特性，进而实现对忆阻器的二重忆阻效应调制过程。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |