CN105161615B - 一种基于纤维衬底的忆阻器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纤维衬底的忆阻器及其制备方法，该忆阻器由上至下依次为柔性纤维衬底I、隔离层I、上电极、存储介质层薄膜、下电极、隔离层II和柔性纤维衬底II；忆阻器的制备方法是在柔性纤维衬底I表面依次沉积隔离层I和上电极，记为部件A；在柔性纤维衬底II表面依次沉积隔离层II、下电极和存储介质层薄膜，记为部件B；将部件A和部件B以任意角度接触，在接触处形成忆阻器。该忆阻器具有良好的柔韧性、可弯曲、质量轻的特点，有利于推动电子产品的轻型化发展；与现有的CMOS工艺兼容，且其制备方法简单，生产效率高，成本低，满足大规模生产的需求，具有产业化价值。
Description
技术领域
本发明涉及到一种基于纤维衬底的忆阻器及其制备方法；属于微电子器件领域。
背景技术
忆阻器”(memristor)又称记忆电阻，是记忆(memory)和电阻(resistor)的复合简写词，忆阻器的概念最早由加州大学伯克利分校的科学家Leon O.Chua在研究了电荷、电流、电压和磁通量之间的关系后，于1971年提出的，并从理论上指出忆阻器是继电阻、电容、电感后第四种基本无源电路元件，它代表着电荷与磁通之间的关系。
在忆阻器被提出的三十几年间，有关忆阻器的理论虽有发展却并没有引起人们足够的重视。直到2008年，惠普实验室研究人员Williams等人成功制作出了基于金属和金属氧化物的忆阻元件，证实了忆阻器的真实存在，其研究成果震惊了电子电工技术界，极大地激发了人们开展忆阻器全方位研究的兴趣。
相比于普通电阻器，忆阻器的最大区别在于其独特的电阻记忆特性。众所周知，传统意义上的电阻器其阻值由材料本身性质决定的，在特定的外界下通常为定值；而忆阻器的电阻值主要有外加电流大小(或者电压大小)、极性以及时长决定，即与流经它的电荷量有关，并且在撤去外电场后忆阻器还能保持其电阻值。这种非线性记忆特性主要源于忆阻器特殊的导电机理—带电空位或离子导电，而非电子导电。用数学定义为其中M代表忆阻值，是忆阻器的特征参数。
忆阻器的记忆特性将对计算机科学、生物工程学、电子工程、通信工程、神经网路等领域产生极其深远的影响；同时，对忆阻器的研究，为电路设计及其忆阻电路应用提供了全新的发展空间。
现在制作的忆阻器器件，绝大多数采用绝缘氧化物或者单晶半导体(Si)等作为衬底，这样制作的忆阻器具有不可弯曲和成本高等缺点，从而限制了电子电路的集成度，在一定程度上阻碍了电子产品的轻型化发展，限制了忆阻器的应用范围。
发明内容
针对现有技术中的忆阻器器件存在不可弯曲、成本高等缺点，导致其应用受到局限，本发明的目的是在于提供一种柔性、质轻，与现有的CMOS工艺兼容，且电极引线易于引出的忆阻器。
本发明的另一个目的是在于提供一种操作简单、成本低的制备所述忆阻器的方法，该方法满足大规模生产。
本发明提供了一种基于纤维衬底的忆阻器，该忆阻器由上至下依次为柔性纤维衬底I、隔离层I、上电极、存储介质层薄膜、下电极、隔离层II和柔性纤维衬底II。
本发明的基于纤维衬底的忆阻器还包括以下优选方案：
优选的方案中柔性纤维衬底I由碳纤维、玻璃纤维和金属涂层纤维中的任意一种材料构成。
优选的方案中柔性纤维衬底II由碳纤维、玻璃纤维和金属涂层纤维中的任意一种材料构成。
优选的方案中柔性纤维衬底I和柔性纤维衬底II可以选择相同材料或不同材料。
优选的方案中隔离层I由TiN、TaN、MoN和WN中的任意一种材料构成。
优选的方案中隔离层II由TiN、TaN、MoN和WN中的任意一种材料构成。
优选的方案中隔离层I和隔离层II选择相同材料。
优选的方案中上电极由石墨烯、Cu、Ag、W、Pt、Au、Ta、TaN、Ti、TiN、Pd、导电碳材料、导电有机材料中的任意一种材料构成。
优选的方案中下电极由石墨烯、Cu、Ag、W、Pt、Au、Ta、TaN、Ti、TiN、Pd、导电碳材料、导电有机材料中的任意一种材料构成。
优选的方案中上电极和下电极可以选择相同材料或不同材料。
优选的方案中存储介质层薄膜是由NiO、Dy2O3、La2O3和Gd2O3等二元金属氧化物中的任意一种材料构成。
优选的方案中隔离层I的厚度为20nm～800nm。
优选的方案中隔离层II的厚度为20nm～800nm。
优选的方案中上电极的厚度为50nm～800nm。
优选的方案中存储介质层的厚度为50nm～500nm。
优选的方案中下电极的厚度为50nm～800nm。
本发明还提供了一种制备所述的忆阻器的方法，该方法是在柔性纤维衬底I表面依次沉积隔离层I和上电极，记为部件A；在柔性纤维衬底II表面依次沉积隔离层II、下电极和存储介质层薄膜，记为部件B；将部件A和部件B以任意角度接触，在接触处形成忆阻器。
本发明提供的制备忆阻器的方法还包括以下优选方案。
优选的方案中隔离层I通过旋涂、电镀、外延或等离子增强化学气相沉积法沉积得到。
优选的方案中隔离层II通过旋涂、电镀、外延或等离子增强化学气相沉积法沉积得到。
优选的方案中隔离层I和隔离层II通过相同工艺制备。
优选的方案中上电极通过外延、化学气相沉积、电子束蒸发、脉冲激光沉积、原子层沉积或者磁控溅射方法沉积得到。
优选的方案中下电极通过外延、化学气相沉积、电子束蒸发、脉冲激光沉积、原子层沉积或者磁控溅射方法沉积得到。
优选的方案中存储介质层薄膜通过电镀、外延、电子束蒸发、脉冲激光沉积、磁控溅射方法或者溶胶—凝胶法沉积得到。
优选的方案中制备的隔离层I的厚度为20nm～800nm。
优选的方案中制备的隔离层II的厚度为20nm～800nm。
优选的方案中制备的上电极的厚度为50nm～800nm。
优选的方案中制备的存储介质层的厚度为50nm～500nm。
优选的方案中制备的下电极的厚度为50nm～800nm。
相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益技术效果是：
本发明的忆阻器与现有的其他忆阻器最大区别在于：1、具有良好的柔韧性、可弯曲、质量轻的特点，有利于推动电子产品的轻型化发展；2、与现有的CMOS工艺兼容，制备方法简单，生产效率高，成本低，满足大规模生产的需求，因此具有产业化价值。3、电极引线易于引出，减少了一定的污染。
附图说明
【图1】为本发明忆阻器所组成的简单阵列忆阻器示意图；
【图2】为本发明忆阻器的外观示意图；
【图3】为本发明忆阻器的内部结构示意图；
【图4】为本发明忆阻器实施例1具有忆阻特性的忆阻器器件在电流激励下的电压电流特性曲线图；
【图5】为本发明忆阻器实施例2具有忆阻特性的忆阻器器件在电流激励下的电压电流特性曲线图；
【图6】为本发明忆阻器实施例3具有忆阻特性的忆阻器器件在电流激励下的电压电流特性曲线图；
其中，1为柔性纤维衬底I，2为隔离层I，3为上电极、4为存储介质层薄膜，5为下电极，6为隔离层II，7为柔性纤维衬底II，8为忆阻器。
具体实施方式
以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制本发明权利要求保护的范围。
本发明的忆阻器的制备流程工艺步骤如下：
步骤一：用纤维1作为柔性衬底I和纤维7作为柔性衬底II；
步骤二：在衬底I之上先溅射一层Ta，因为Ta吸收部分接触处的自然氧化物，降低接触电阻，从而提高对电极的粘结性。在溅射Ta的同时通入氮气，控制好工艺参数，生成厚度约为100nm的TaN薄膜；
步骤三：采取与步骤二相同的方法，在衬底II之上生成厚度约为100nm的TaN薄膜；
步骤四：在衬底I的TaN薄膜(隔离层I)之上采用外延、化学气相沉积、电子束蒸发、脉冲激光沉积、原子层沉积或者磁控溅射方法的任何一种在该隔离层之上淀积一层厚度为50nm～800nm的导电薄膜，清洗后形成上电极；得到部件A。
步骤五：在衬底II的TaN薄膜(隔离层II)上采用外延、化学气相沉积、电子束蒸发、脉冲激光沉积、原子层沉积或者磁控溅射方法的任何一种在该TaN薄膜之上淀积一层厚度为50nm～800nm的薄膜，清洗后形成下电极；
步骤六：在下电极之上采用电镀、外延、电子束蒸发、脉冲激光沉积、磁控溅射方法或者溶胶—凝胶法的任何一种在所述下电极之上淀积厚度为50nm～500nm的薄膜，即形成存储介质层，得到部件B。
步骤七：将部件A和部件B以任意角度接触，在接触处形成忆阻器。
步骤八：除纤维衬底II两端外，其他各区域都涂上一层光刻胶，通过相应的光刻技术，刻蚀掉纤维衬底II两端的存储介质层，然后使用特定的溶剂将光刻胶溶解掉，使下电极凸显作为电极引线。至此完成整个器件的基本结构。
实施例1
纤维1和纤维4均为碳纤维；上电极材料为Pt，厚度为200nm；下电极材料为Ag薄膜，厚度为400nm；存储介质层为NiO，厚度为200nm。
实施例2
纤维1和纤维4均为玻璃纤维；上电极材料为Cu，厚度为800nm；下电极材料为W，厚度为50nm；存储介质层为Dy2O3，厚度为50nm；
实施例3
纤维1和纤维4均为金属涂层纤维；上电极材料为W，厚度为50nm；下电极材料为Ag，厚度为800nm；存储介质层为La2O3，厚度为500nm；
试验仿真证明，三个实例得到的忆阻器均具有良好的忆阻特性。以实施例1中制备的忆阻器的忆阻特性为例，如图4所示图中可看出在电流激励下，输入输出满足李萨茹曲线，即“8”回线，并且曲线的非线性特性随着激励频率w的增加而逐渐趋向线性，并最终变为普通电阻。
以上所述具体实施例对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明，本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，而并非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和技术原理的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，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，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于纤维衬底的忆阻器，其特征在于，由上至下依次为柔性纤维衬底I、隔离层I、上电极、存储介质层薄膜、下电极、隔离层II和柔性纤维衬底II；
所述的柔性纤维衬底I和柔性纤维衬底II由金属涂层纤维构成；
所述忆阻器通过以下方法制备得到：在柔性纤维衬底I表面依次沉积隔离层I和上电极，记为部件A；在柔性纤维衬底II表面依次沉积隔离层II、下电极和存储介质层薄膜，记为部件B；将部件A和部件B以任意角度接触，在接触处形成忆阻器；
所述的隔离层I和隔离层II由TiN、TaN、MoN和WN中的任意一种材料构成；所述的上电极和下电极各自独立地由石墨烯、Cu、Ag、W、Pt、Au、Ta、TaN、Ti、TiN、Pd、导电碳材料、导电有机材料中的任意一种材料构成；
所述的存储介质层薄膜是由NiO、Dy2O3、La2O3和Gd2O3中的任意一种材料构成。
2.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，隔离层I的厚度为20nm～800nm，隔离层II的厚度为20nm～800nm，上电极的厚度为60nm～800nm，存储介质层的厚度为10nm～1000nm，下电极的厚度为100nm～1000nm。
3.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，隔离层I和隔离层II通过旋涂、电镀、外延或等离子增强化学气相沉积法沉积得到；上电极和下电极通过外延、化学气相沉积、电子束蒸发、脉冲激光沉积、原子层沉积或者磁控溅射方法沉积得到；存储介质层薄膜通过电镀、外延、电子束蒸发、脉冲激光沉积、磁控溅射方法或者溶胶-凝胶法沉积得到。
4.根据权利要求3所述的忆阻器，其特征在于，隔离层I的厚度为20nm～800nm，隔离层II的厚度为20nm～800nm，上电极的厚度为60nm～800nm，存储介质层的厚度为10nm～1000nm，下电极的厚度为100nm～1000nm。
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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 | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190409 |