CN105185909B - 一种有机材料阻变存储元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种有机材料阻变存储元件及其制备方法。该存储元件的结构包括由下至上依次排布的下电极层、阻变介质层和上电极层；下电极层为ITO层，阻变介质层为CH3NH3PbI3−xCl3层，上电极层为Ag层或Al层。所述有机材料阻变存储元件的制备方法是：采用溶胶‑凝胶法在ITO玻璃的ITO层形成CH3NH3PbI3−xCl3层，之后退火处理，接着采用真空蒸发方法在CH3NH3PbI3−xCl3层上沉积Ag或Al的上电极层，最终形成异质结构层形式为Ag或Al/CH3NH3PbI3−xCl3/ITO的阻变存储元件。本发明所制备的有机材料阻变存储元件性能稳定，具有较好的抗疲劳性以及保持特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体存储器，具体地说是一种有机材料作为存储介质的阻变存储元件及其制备方法。
背景技术
随着半导体工艺水平的提高，信息产业的不断发展，半导体器件逐渐达到物理和技术的极限。迎接这一挑战的关键在于寻找新材料和开发新的器件结构。非挥发性存储器在集成电路发展中扮演着越来越重要的角色。当前，市场上的非挥发性存储器（NVM）以闪存（Flash存储器）为主流，但是该类存储器读写速度低，开关寿命短，不能用于计算机中需要频繁读写的主要存储部件，并且其存储机理是基于电荷存储机制，因此，当技术拓展到22nm以下时，电子能够存储的数量将会剧烈减小（甚至只有几个电子），将会导致其数据保持特性遭遇极大的困难。因此人们致力于寻找下一代NVM器件的替代品，例如铁电存储器（FeRAM）、磁性随机存储器（MRAM）、相变随机存储器（PRAM）、阻变存储器（RRAM）等。在这几种新型的存储器中，铁电存储器与磁性随机存储器在器件单元尺寸继续缩小及提高存储密度上遭遇了瓶颈，相变随机存储器因擦除电流过大而不适于商业化应用，因此，具有良好微缩化前景的阻变存储器受到越来越多的关注，在近些年引起了广泛的研发热潮。
阻变存储器的基本结构是金属-介质（绝缘体/半导体）-金属的三明治结构，其中间介质材料一般采用金属氧化物材料制成。阻变存储器结构简单，制作工艺与现有半导体工艺兼容，开关速度快，完全满足下一代高密度存储器的要求，且易于三维集成，这也是受到产业界青睐的原因之一。到目前为止，已经有多种材料被报道具有电阻转变行为，可作为阻变存储器的中间介质材料，但是，现有的阻变存储器还存在性能参数不稳定，不适合商业化应用的问题。
发明内容
本发明的目的之一就是提供一种基于有机材料的阻变存储元件，以解决现有的阻变存储器存在性能参数不稳定，不适合商业化应用的问题。
本发明的目的之二就是提供一种上述有机材料阻变存储元件的制备方法。
本发明的目的之一是这样实现的：一种有机材料阻变存储元件，其结构包括由下至上依次排布的下电极层、阻变介质层和上电极层；所述下电极层为ITO层，所述阻变介质层为CH3NH3PbI3−xCl3层，所述上电极层为Ag层或Al层。
优选的，所述阻变介质层的厚度为10nm~500nm。
更优选的，所述阻变介质层的厚度为30nm~200nm。
所述上电极层由若干均匀分布的直径为50μm~300μm的圆形电极膜构成。
本发明的目的之二是这样实现的：一种有机材料阻变存储元件的制备方法，包括如下步骤：
a、选择ITO玻璃作为衬底，衬底上的ITO层即为下电极层；将ITO玻璃依次置于丙酮、酒精和去离子水中超声清洗，之后取出用氮气吹干；
b、将ITO玻璃置于充满氮气的手套箱内的旋涂机上，在手套箱内将0.14~0.15mol/L的PbCl2溶液、1.26~1.28 mol/L的PbI2溶液和1.2~1.4 mol/L的甲基铵碘化物溶液混合在一起形成旋涂溶液，再在旋涂溶液中倒入二甲基亚砜和γ丁内酯的混合物作为助溶剂；其中，二甲基亚砜和γ丁内酯的体积比为3~4:7~9；
c、采用溶胶-凝胶法将步骤b中的旋涂溶液旋涂在ITO玻璃上，控制旋涂过程中的转速及时间，在ITO玻璃的ITO层上形成CH3NH3PbI3−xCl3层，之后退火；CH3NH3PbI3−xCl3层即为阻变介质层；退火温度为90-120度，退火时间为20-40分钟；
d、将形成CH3NH3PbI3−xCl3层且退火处理后的ITO玻璃置于真空蒸发生长室内，借助掩膜版，在真空度为2×10-4Pa ~ 6×10-4Pa的条件下在CH3NH3PbI3−xCl3层上形成上电极层，所述上电极层的材料为Ag或Al。
步骤c中，设置旋涂过程中的时间为80s，且通过设置使前20s的转速为1000~1500r/min，后60s的转速为5500~6000 r/min。
步骤d中，掩膜版上均布有直径为50μm~300μm的圆形孔。
通过对本发明所制备的有机材料阻变存储元件进行疲劳性测试及保持特性测试，结果表明：本发明中的有机材料阻变存储元件在经过大于1000次的抗疲劳性循环测试之后，仍然能在两种阻态（即高阻态和低阻态）之间转换，电阻值没有明显的变化，从而表明了本发明中的有机材料阻变存储元件具有较强的抗疲劳性能，且在高阻态和低阻态都具有较好的保持特性。另外，通过对本发明中的有机材料阻变存储元件进行电压—电流特性测试表明：有机材料阻变存储元件的高、低阻态下的电阻与阻抗值的比均大于10，表明有机材料阻变存储元件具有开关效应，并且其读出电压明显低于写入/擦除脉冲电压，是一种非破坏性读出阻变存储记忆元件。本发明的有机材料阻变存储元件的全部读取－写入－读取－擦除操作都由电信号通过上电极层和下电极层上的引出线完成，没有任何机械运动接触，具有结构简单并可实现快速读写的特点。因此，本发明所制备的有机材料阻变存储元件性能参数稳定，具有体积小、结构简单、非挥发、可快速读写、工作电压低、低能耗、无运动部件、非破坏性读出等优点。
附图说明
图1是本发明中有机材料阻变存储元件的结构示意图。
图2是对本发明实施例2所制备的有机材料阻变存储元件进行电压—电流特性测试后的电压—电流关系示意图。
图3是与图2对应的电压与电阻的关系示意图。
图4是对本发明实施例2所制备的有机材料阻变存储元件进行抗疲劳性测试后所得的结果示意图。
图5是对本发明实施例2所制备的有机材料阻变存储元件进行保持特性测试后所得的结果示意图。
具体实施方式
实施例1，一种有机材料阻变存储元件。
如图1所示，本发明中有机材料阻变存储元件的结构包括由下至上依次排布的下电极层3、阻变介质层2和上电极层1；下电极层3为ITO（氧化铟锡）层，该ITO层一般可通过磁控溅射附着在玻璃6上，即：在制备本发明中的有机材料阻变存储元件时，可通过购买现成的ITO玻璃（在玻璃上形成ITO层）来作为衬底，ITO玻璃即提供了下电极层3。ITO玻璃上的ITO层的厚度可以为10nm~500nm。阻变介质层2为CH3NH3PbI3−xCl3层，阻变介质层2的厚度可以设置为10nm~500nm，优选的，可以设置为30nm~200nm。上电极层1一般由若干均匀分布的直径为50μm~300μm的圆形电极膜构成，上电极层1的材料可以为Ag或Al，上电极层1的厚度可以为50nm~200nm。
在下电极层3上接有下电极引线4，在上电极层1上接有上电极引线5，在上电极引线5和下电极引线4上施加相应的电信号，可使该有机材料阻变存储元件实现读取－写入－读取－擦除等操作。
实施例2，一种有机材料阻变存储元件的制备方法。
本实施例中有机材料阻变存储元件的制备方法包括如下步骤：
a、选择ITO玻璃作为衬底，衬底上的ITO层即为下电极层，ITO层的厚度为200nm。对ITO玻璃进行预处理：将ITO玻璃放在丙酮中用超声波清洗1分钟，然后放入酒精中用超声波清洗1分钟，再放入去离子水中用超声波清洗5分钟，之后取出，用高纯（纯度为99.99%及以上）氮气（N2）吹干。
b、将步骤a中预处理后的ITO玻璃固定在手套箱中的旋涂机上，在手套箱内充满高纯（纯度为99.99%及以上）氮气，在充满高纯氮气的手套箱内将0.14 mol/L的PbCl2溶液、1.26 mol/L的PbI2溶液和1.3 mol/L的甲基铵碘化物溶液混合在一起形成旋涂溶液，再在旋涂溶液中倒入二甲基亚砜和γ丁内酯的混合物作为助溶剂；其中，二甲基亚砜和γ丁内酯的体积比为3：7。
c、采用溶胶-凝胶法将步骤b中的旋涂溶液旋涂在ITO玻璃的ITO层上，控制旋涂时间为80s，且在前20s的旋涂过程中设置转速为1000 r/min，在后60s的旋涂过程中设置转速为5500 r/min；在旋涂到第40s时采用160 mL的无水甲苯终止反应，之后在100℃下退火20min，在ITO玻璃的ITO层上形成CH3NH3PbI3−xCl3层，CH3NH3PbI3−xCl3层即为阻变介质层。
d、将步骤c中形成CH3NH3PbI3−xCl3层且退火处理后的ITO玻璃置于真空蒸发生长室内的靶台上，并在其上方放置掩膜版，掩膜版上均布有50μm的圆孔，在掩膜版的上方设置Ag靶材，将真空蒸发生长室内抽真空至2×10-4Pa，设定溅射功率为10W，溅射距离为6cm，以11.7nm/min的速率在CH3NH3PbI3−xCl3层上沉积70nm厚的Ag上电极层，最终制成异质结构层形式为Ag/CH3NH3PbI3−xCl3/ITO/玻璃的有机材料阻变存储元件。
对本实施例所制备的异质结构层形式为Ag/CH3NH3PbI3−xCl3/ITO/玻璃的有机材料阻变存储元件进行电压—电流特性测试，测试时应首先在Ag上电极层上接上电极引线，在ITO层上接下电极引线，上电极引线和下电极引线均可采用金丝或铜丝来制成，之后在上电极引线和下电极引线上施加相应的电信号来进行电压—电流特性测试，测试结果如图2所示。图2中，x轴表示电压（单位为V），y轴表示响应电流（单位为A）；电压施加的过程是从0V→+1V→0V→-0.6V→0V；箭头所指显示出了阻态的变化趋势。图3是与图2对应的电压与电阻的关系示意图。由图2和图3可看出：从A点到B点，有机材料阻变存储元件呈现低阻态；当超过B点后，有机材料阻变存储元件电阻呈现跃变，响应电流突然变小，C点到D点呈现高阻态，到D点元件又回到低阻态，高低阻态下电阻与阻抗值的比均大于10，这一测试结果表明本实施例所制备的有机材料阻变存储元件拥有开关效应，能够满足记忆元的读出。
对本实施例所制备的异质结构层形式为Ag/CH3NH3PbI3−xCl3/ITO/玻璃的有机材料阻变存储元件进行抗疲劳性测试和保持特性测试。
Ⅰ、抗疲劳性测试：首先将－1.8V到0V的扫描电压施加到Ag上电极层上，使得有机材料阻变存储元件（简称元件）由低阻态变成高阻态，然后使用5mV的电压测试元件的电阻值；接着将0V到－1.8V的扫描电压施加到Ag上电极层上，使得元件由高阻态重新回到低阻态，然后利用5mV的电压测试元件的电阻，如此循环测试，得到器件的抗疲劳特性。所得测试结果如图4所示，由图4可知，经过大于1000次的循环测试以后，元件仍然能在两种阻态之间转换，电阻值没有明显的变化，从而表明了本实施例所制备的有机材料阻变存储元件具有较强的抗疲劳性能。
Ⅱ、保持特性测试：将该元件分别置于高阻态（High Resistance State，HRS）和低阻态（Low Resistance State，LRS）下，然后使用5mV电压分别测试各阻态下的电阻值，结果如图5所示，图中黑色方框是高阻态（HRS）下的电阻值，黑色圆圈是低阻态（LRS）下的电阻值，由图可知，在经过1.7×105s以后，两种阻态下的电阻值均保持在一定量级上，说明元件具有较好的保持特性。
需要指出的是，本实施例采用较低的电压（5mV）测试高低阻态下的电阻值，这样可以保证不会改变元件的阻值状态。
实施例3，一种有机材料阻变存储元件的制备方法。
本实施例中制备有机材料阻变存储元件的方法也包括a、b、c、d四个步骤，其中，a、b和c步骤均与实施例2中相对应的步骤相同，所不同的是步骤d，本实施例中的步骤d如下：
d、将步骤c中形成CH3NH3PbI3−xCl3层且退火处理后的ITO玻璃置于真空蒸发生长室内的靶台上，并在其上方放置掩膜版，掩膜版上均布有100μm的圆孔，在掩膜版的上方设置Al靶材，将真空蒸发生长室内抽真空至3×10-4Pa，设定溅射功率为10W，溅射距离为6cm，溅射时间为8min，以13nm/min的速率在CH3NH3PbI3−xCl3层上沉积约100nm厚的Al上电极层，最终制成异质结构层形式为Al/CH3NH3PbI3−xCl3/ITO/玻璃的有机材料阻变存储元件。
按照对实施例2所制备的有机材料阻变存储元件的试验、测试方法，对实施例3所制备的有机材料阻变存储元件进行试验、测试，结果表明实施例3所制备的有机材料阻变存储元件具有与实施例2所制备的有机材料阻变存储元件相似的性能和特性。
Claims (6)
1.一种有机材料阻变存储元件，其特征是，其结构包括由下至上依次排布的下电极层、阻变介质层和上电极层；所述下电极层为ITO层，所述阻变介质层为CH3NH3PbI3−xCl3层，所述上电极层为Ag层或Al层；
所述上电极层由若干均匀分布的直径为50μm~300μm的圆形电极膜构成。
2.根据权利要求1所述的有机材料阻变存储元件，其特征是，所述阻变介质层的厚度为10nm~500nm。
3.根据权利要求2所述的有机材料阻变存储元件，其特征是，所述阻变介质层的厚度为30nm~200nm。
4.一种有机材料阻变存储元件的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
a、选择ITO玻璃作为衬底，衬底上的ITO层即为下电极层；将ITO玻璃依次置于丙酮、酒精和去离子水中超声清洗，之后取出用氮气吹干；
b、将ITO玻璃置于充满氮气的手套箱内的旋涂机上，在手套箱内将0.14~0.15 mol/L的PbCl2溶液、1.26~1.28 mol/L的PbI2溶液和1.2~1.4 mol/L的甲基铵碘化物溶液混合在一起形成旋涂溶液，再在旋涂溶液中倒入二甲基亚砜和γ丁内酯的混合物作为助溶剂；其中，二甲基亚砜和γ丁内酯的体积比为3~4:7~9；
c、采用溶胶-凝胶法将步骤b中的旋涂溶液旋涂在ITO玻璃上，控制旋涂过程中的转速及时间，在ITO玻璃的ITO层上形成CH3NH3PbI3−xCl3层，之后退火；CH3NH3PbI3−xCl3层即为阻变介质层；退火温度为90-120度，退火时间为20-40分钟；
d、将形成CH3NH3PbI3−xCl3层且退火处理后的ITO玻璃置于真空蒸发生长室内，借助掩膜版，在真空度为2×10-4Pa ~ 6×10-4Pa的条件下在CH3NH3PbI3−xCl3层上形成上电极层，所述上电极层的材料为Ag或Al。
5.根据权利要求4所述的有机材料阻变存储元件的制备方法，其特征是，步骤c中，设置旋涂过程中的时间为80s，且通过设置使前20s的转速为1000~1500 r/min，后60s的转速为5500~6000 r/min。
6.根据权利要求4所述的有机材料阻变存储元件的制备方法，其特征是，步骤d中，掩膜版上均布有直径为50μm~300μm的圆形孔。
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