CN104979363A - 一种电化学沉积制备薄膜构建的忆阻器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种忆阻器，具体涉及一种电化学沉积制备薄膜构建的忆阻器及其制备方法。一种电化学沉积制备薄膜构建的忆阻器的制备方法，先分别配制反应液和缓冲液；混合反应液和缓冲液，构成沉积液；在沉积液中，通过三电极法，以恒定电压，沉积氧化物薄膜本发明提供了一种制备工艺步骤简单、制作成本低、可重复性强的忆阻器阻变层的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种忆阻器，具体涉及一种电化学沉积制备薄膜构建的忆阻器及其制备方法。
背景技术
忆阻器，是由华裔教授蔡少堂在1971年提出概念，并由HP实验室于2008年首次在实验上证实存在的一种无源器件。传统的三种无源器件：电阻、电容、电感，都可以由电流、电压、磁通量、电荷量四个物理量两两组合得出。蔡少堂教授就是根据其中磁通量和电荷量的关系，推断应该还有一种无源器件，并将其命名为忆阻器，它能反映器件电阻随流经其中电荷量的变化而变化，这种特性使其在应用于非易失性存储器方面具有很大潜力。随着信息技术和半导体工艺的发展，光刻技术越来越接近量子级别，依据存储电子的非易失性闪存，由于在狭窄的通道内保留电子的难度加大，逐渐接近其物理极限，摩尔定律越来越受到质疑。寻找一种新的非易失性存储器，成为了科学界和工业界新的热点。阻变存储器，作为忆阻器的一种应用，因其高集成密度、低功耗、快写入读取速度越来越受到关注。
阻变存储器是一种两端器件，阻变材料层置于底、顶电极之间构成金属（M）-绝缘层（I）-金属（M）的三明治结构。这种结构可以最大限度控制每个单元的尺寸，提高集成密度。中间的绝缘层（阻变材料层）可以在电场的刺激下，在高阻态和低阻态之间切换。其易失特性表现在，阻变层的阻态不会随撤除电压或者施加小于阈值的电压而改变。一般来说，电阻状态切换的现象是通过金属阳离子（如银）和氧离子的迁移实现的，其中氧化物阻变层的电阻切换，一般是由氧离子的迁移而导致导电细丝的形成和断裂引起的。构建氧化物阻变层薄膜一般通过磁控溅射而成，但是这种制备方法成膜速度慢，设备成本高。
电化学沉积是溶液中的带点粒子在电场作用下到达基片表面沉积的过程。电化学沉积制备薄膜相比于其他制膜工艺具有以下优势：（1）成膜速度快，依据沉积液浓度，沉积参数不同，一般半小时可以达到微米级别；（2）原料成本低廉，只需要沉积材料对应的水溶液；（3）设备简单，只需要简单的三电极恒电压（或恒电流）系统设备即可。作为一种快速高效，成本低廉的制备方法，电化学沉积在忆阻器的制备上有广泛的应用前景。
发明内容
本发明提供了一种制备工艺步骤简单、制作成本低、可重复性强的忆阻器阻变层的制备方法。该方法具体步骤如下：
一种电化学沉积制备薄膜构建的忆阻器，所述忆阻器包括衬底层、底电极层、阻变层及顶电极，所述衬底层、底电极层及阻变层依次设置，所述顶电极设置在阻变层相反于底电极层的一侧。
进一步地，所述阻变层为电化学沉积制成的氧化锌薄膜，所述阻变层厚度为300nm。
进一步地，所述底电极层材料为掺铝氧化锌导电玻璃或掺铝氧化锌导电硅。
进一步地，所述顶电极材料可以是金、铂、铜中的一种。
进一步地，所述衬底层为玻璃、绝缘硅中的一种。
一种电化学沉积制备薄膜构建的忆阻器的制备方法，用于制备上述的忆阻器，所述制备的方法包括以下步骤：
以具有良好导电性能的薄膜作为基底；电化学沉积所用沉积液由反应液和缓冲液两种溶液组成，通过在恒定浓度的反应液中加入不同量的缓冲液以此调节两者配比；通过三电极法在恒定电压下，沉积出氧化物阻变层薄膜，该方法具体步骤如下：
（1）先分别配制反应液和缓冲液；
（2）混合反应液和缓冲液，构成沉积液；
（3）在沉积液中，通过三电极法，以恒定电压，沉积氧化物薄膜。
进一步地，所述反应液为硝酸锌溶液，所述缓冲液为硝酸溶液，所述硝酸溶液与所述硝酸锌溶液的浓度比为200：1。
进一步地，所述反应液和所述缓冲液体积比在500：1到2000：1之间。
进一步地，其中反应液的浓度不变，缓冲液的浓度根据加入其中的缓冲液量的变化而变化，其浓度分别为x1，x2，x3。
进一步地，所述步骤3中，覆盖有导电薄膜的衬底连接工作电极，以金属铂为对电极，以银/氯化银为参比电极，沉积电位为0.9 V，沉积温度为80摄氏度。
本发明提出了一种忆阻器，该忆阻器制备工艺步骤简单，可重复性强，设备成本低，满足大规模量产的需求。该忆阻器结构如下：
1、本发明提供的忆阻器，自下往上依次包括衬底、底电极、阻变层和顶电极。
2、底电极覆盖在衬底之上，随应用需要，载体可以是（但不仅限于）透明玻璃；底电极可以是（但不仅限于）掺铝氧化锌导电膜。
3、阻变层为电化学沉积所制备的氧化物薄膜，如（但不仅限于）氧化锌薄膜。
附图说明
图1 为本发明的忆阻器结构示意图：1-衬底；2-底电极；3-阻变层；4-顶电极。
图2 为本发明实施例1忆阻器的电流电压曲线。
图3 为本发明电沉积制备阻变层时，硝酸锌（5 mM）与硝酸（0 mM，0.5 mM，1.0 mM，1.5 mM）不同配比时，高阻态电阻值、低阻态电阻值与载流子浓度的关系。
具体实施方式
下面结合实例对本发明的技术方案进行详细说明。显然，所描述的实例仅仅是示意性的，并不能包含本发明的全部内容。本领域人员在本发明的启发下进行变化所获得的所有其他实例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
（1） 分别配置5 mM的硝酸锌水溶液和1 M的硝酸溶液。
（2） 取200 ml的硝酸锌溶液，不加入硝酸溶液。将溶液加热至80摄氏度并保持恒温。
（3） 将清洗好的掺铝氧化锌导电玻璃（1.0 cm * 1.5 cm）连接工作电极，并置于硝酸锌溶液中。铂片作为对电极，银/氯化银作为参比电极，连入电化学工作站。
（4） 在工作电极与对电极之间施加-0.9 V的电压，并保持1000 s，后取出用去离子水冲洗，烘干。
（5） 将沉积有氧化锌样品，在掩模下直流溅射金电极，至此完成整个忆阻器的基本结构。
实施例2：
本实施例与上述实施例的部分内容相同，唯不同之处在于：其他步骤如实施例1，只将步骤（2）改为：取200 ml的硝酸锌溶液，并加入1 μl硝酸溶液，沉积液中硝酸浓度为0.5 mM。将溶液加热至80摄氏度并保持恒温。
实施例3：
本实施例与上述实施例的部分内容相同，唯不同之处在于：其他步骤如实施例1，只将步骤（2）改为：取200 ml的硝酸锌溶液，并加入1 μl硝酸溶液，沉积液中硝酸浓度为1.0 mM。将溶液加热至80摄氏度并保持恒温。
实施例4：
本实施例与上述实施例的部分内容相同，唯不同之处在于：其他步骤如实施例1，只将步骤（2）改为：取200 ml的硝酸锌溶液，并加入1 μl硝酸溶液，沉积液中硝酸浓度为1.5 mM。将溶液加热至80摄氏度并保持恒温。
Claims (9)
1.一种电化学沉积制备薄膜构建的忆阻器，其特征在于，所述忆阻器包括衬底层、底电极层、阻变层及顶电极，所述衬底层、底电极层及阻变层依次设置，所述顶电极设置在阻变层相反于底电极层的一侧。
2.根据权利要求1所述的一种电化学沉积制备薄膜构建的忆阻器，其特征在于，所述阻变层为电化学沉积制成的氧化锌薄膜，所述阻变层厚度为300nm。
3.根据权利要求1所述的一种电化学沉积制备薄膜构建的忆阻器，其特征在于，所述底电极层材料为掺铝氧化锌导电玻璃或掺铝氧化锌导电硅。
4.根据权利要求1所述的一种电化学沉积制备薄膜构建的忆阻器，其特征在于，所述顶电极材料可以是金、铂、铜中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种电化学沉积制备薄膜构建的忆阻器，其特征在于，所述衬底层为玻璃、绝缘硅中的一种。
6.一种电化学沉积制备薄膜构建的忆阻器的制备方法，用于制备上述权利要求1-5之一所述的忆阻器，其特征在于，所述制备的方法包括以下步骤：
以具有良好导电性能的薄膜作为基底；电化学沉积所用沉积液由反应液和缓冲液两种溶液组成，通过在恒定浓度的反应液中加入不同量的缓冲液以此调节两者配比；通过三电极法在恒定电压下，沉积出氧化物阻变层薄膜，该方法具体步骤如下：
(1)先分别配制反应液和缓冲液；
(2)混合反应液和缓冲液，构成沉积液；
(3)在沉积液中，通过三电极法，以恒定电压，沉积氧化物薄膜。
7.根据权利要求6所述的一种电化学沉积制备薄膜构建的忆阻器的制备方法，其特征在于，所述反应液为硝酸锌溶液，所述缓冲液为硝酸溶液，所述硝酸溶液与所述硝酸锌溶液的浓度比为200：1。
8.根据权利要求6所述的一种电化学沉积制备薄膜构建的忆阻器的制备方法，其特征在于，所述反应液和所述缓冲液体积比在500：1到2000：1之间。
9.根据权利要求6所述的一种电化学沉积制备薄膜构建的忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，覆盖有导电薄膜的衬底连接工作电极，以金属铂为对电极，以银/氯化银为参比电极，沉积电位为0.9 V，沉积温度为80摄氏度。
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