CN109911838B - 基于可控纳米裂纹实现的互补电阻开关器件及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可控纳米裂纹实现的互补电阻开关器件及其控制方法，其中，互补电阻开关器件包括由上至下依次设置的金属电极、合金薄膜和铁电材料，金属电极与合金薄膜的尺寸相同，金属电极包括对称分布的第一金属电极和第二金属电极，第一金属电极和第二金属电极之间有一条长方形间隙。其控制方法包括：在第一金属电极和第二金属电极上施加循环电压，在间隙两边的合金薄膜上产生裂纹，通过控制循环电压调控裂纹的开闭。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，更具体地，涉及一种基于可控纳米裂纹实现的互补电阻开关器件及其控制方法。
背景技术
随着晶体管的特征尺寸不断减小，晶体管的集成数目越来越多，芯片的功耗问题愈加突出，同时，晶体管的漏电问题也愈发严重。无源交叉矩阵是一种能够有效降低功耗，同时提高存储密度的方法，但是它存在潜通路漏电流的问题需要解决。此外，传统CMOS工艺实现逻辑运算时，需要通过离子注入等掺杂工艺形成NMOS和PMOS，而当晶体管尺寸减小到一定程度后，离子注入工艺的精确度会受到很大影响。而且，CMOS逻辑是易失性的，需要不断地刷新，这会产生更多的功耗。基于机械式开闭实现的纳电子机械开关具有零开路漏电流，从而具有高的电流开关比，在超低功耗器件的应用方面具有巨大的潜力。此外，利用纳电子机械开关来实现逻辑运算时，由于可以包含多个输入输出端，与传统晶体管相比，实现相同的逻辑功能需要的器件数会更少。但是目前纳电子机械开关的制备都需要非常复杂的工艺流程，如高精度的光刻和刻蚀技术等，为大面积应用带来困难。
由此可见，现有技术存在潜通路漏电流、易失性、制备工艺复杂的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于可控纳米裂纹实现的互补电阻开关器件及其控制方法，由此解决现有技术存在潜通路漏电流、易失性、制备工艺复杂的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于可控纳米裂纹实现的互补电阻开关器件，包括由上至下依次设置的金属电极、合金薄膜和铁电材料，金属电极与合金薄膜的尺寸相同，金属电极包括对称分布的第一金属电极和第二金属电极，第一金属电极和第二金属电极之间有一条长方形间隙。
进一步地，间隙的宽为4μm-6μm。
进一步地，间隙的长为90μm-110μm，间隙两边的第一金属电极和第二金属电极的宽均为20μm-25μm。
进一步地，间隙的长为20μm-40μm，间隙两边的第一金属电极和第二金属电极的宽均为70μm-80μm。
进一步地，铁电材料为铌镁酸铅钛酸铅(PMN-PT)、铌锌酸铅钛酸铅(PZN-PT)、锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BTO)或者铁酸铋(BFO)，所述合金薄膜为MnPt或者FePt，所述金属电极为Au、Ag、Cu或者Al。
按照本发明的另一方面，对于间隙的长为90μm-110μm，间隙两边的第一金属电极和第二金属电极的宽均为20μm-25μm的互补电阻开关器件提供了一种控制方法，包括：
在第一金属电极和第二金属电极上施加循环电压，在间隙两边的合金薄膜上产生沿宽度方向扩展的裂纹，通过控制循环电压调控裂纹的开闭。
进一步地，施加循环电压为施加正电压时，与电压源正极相连的第一金属电极下方的合金薄膜区域内的裂纹打开，与电压源负极相连的第二金属电极下方的合金薄膜区域内的裂纹闭合；
进一步地，施加循环电压为施加负电压时，与电压源负极相连的第一金属电极下方的合金薄膜区域内的裂纹闭合，与电压源正极相连的第二金属电极下方的合金薄膜区域内的裂纹打开。
按照本发明的另一方面，对于间隙的长为20μm-40μm，间隙两边的第一金属电极和第二金属电极的宽均为70μm-80μm的互补电阻开关器件提供了一种控制方法，包括：
在第一金属电极和第二金属电极上施加循环电压，在间隙两边的合金薄膜上产生沿长度方向扩展的裂纹，通过控制循环电压调控裂纹的开闭。
进一步地，施加循环电压为施加正电压时，与电压源正极相连的第一金属电极下方的合金薄膜区域内的裂纹打开，与电压源负极相连的第二金属电极下方的合金薄膜区域内的裂纹闭合。
进一步地，施加循环电压为施加负电压时，与电压源负极相连的第一金属电极下方的合金薄膜区域内的裂纹闭合，与电压源正极相连的第二金属电极下方的合金薄膜区域内的裂纹打开。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明包括由上至下依次设置的金属电极、合金薄膜和铁电材料，金属电极与合金薄膜的尺寸相同，金属电极之间有一条长方形间隙。由此说明本发明结构简单，因此制备工艺也很简单。在由铁电材料与合金薄膜构成的异质结中，通过施加循环电压驱动铁电畴翻转，可以在合金薄膜内诱导产生纳米宽度的裂纹，并且可以在循环电压作用下实现非易失性的开闭。该纳米裂纹与它两端的电极共同构成了新型的，具有简单制备工艺的纳电子机械开关。
(2)对于间隙的长为90μm-110μm，间隙两边的第一金属电极和第二金属电极的宽均为20μm-25μm的互补电阻开关器件，在第一金属电极和第二金属电极上施加循环电压，在间隙两边的合金薄膜上产生沿宽度方向扩展的裂纹，通过控制循环电压调控裂纹的开闭。对于间隙的长为20μm-40μm，间隙两边的第一金属电极和第二金属电极的宽均为70μm-80μm的互补电阻开关器件，在第一金属电极和第二金属电极上施加循环电压，在间隙两边的合金薄膜上产生沿长度方向扩展的裂纹，通过控制循环电压调控裂纹的开闭。由此可见，本申请可以通过设置不同的金属电极的宽实现不同方向的裂纹扩展。当金属电极较宽时，容易形成沿长度方向扩展的裂纹，当金属电极较窄时，容易形成沿长度方向扩展的裂纹。
(3)本发明通过面内施加电压的方式，在两处分离的电极区域下方对应的合金薄膜区域各诱导产生一条裂纹，其目的在于实现具有低功耗、非易失和无需掺杂工艺的逻辑运算。另外可以构成互补电阻开关，用来解决无源交叉矩阵中存在的潜通路漏电流问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的合金薄膜长度方向沿x方向平行排列时的互补电阻开关器件结构示意图；
图2(a)是本发明实施例提供的合金薄膜长度方向沿x方向平行排列时的互补电阻开关器件的制备流程图中的第一步；
图2(b)是本发明实施例提供的合金薄膜长度方向沿x方向平行排列时的互补电阻开关器件的制备流程图中的第二步；
图2(c)是本发明实施例提供的合金薄膜长度方向沿x方向平行排列时的互补电阻开关器件的制备流程图中的第三步；
图2(d)是本发明实施例提供的合金薄膜长度方向沿x方向平行排列时的互补电阻开关器件的制备流程图中的第四步；
图2(e)是本发明实施例提供的合金薄膜长度方向沿x方向平行排列时的互补电阻开关器件的制备流程图中的第五步；
图2(f)是本发明实施例提供的合金薄膜长度方向沿x方向平行排列时的互补电阻开关器件的制备流程图中的第六步；
图3是本发明实施例提供的合金薄膜长度方向沿x方向平行排列时的互补电阻开关器件的电学测试示意图；
图4是本发明实施例提供的调控裂纹开闭施加的循环电压随时间变化的曲线；
图5(a)是本发明实施例提供的合金薄膜长度方向沿x方向平行排列时的互补电阻开关器件光学显微图；
图5(b)是本发明实施例提供的合金薄膜长度方向沿x方向平行排列，施加正向电压时的光学显微图；
图5(c)是本发明实施例提供的合金薄膜长度方向沿x方向平行排列，施加负向电压时的光学显微图；
图6(a)是本发明实施例提供的合金薄膜长度方向沿x方向平行排列，在裂纹两侧分别施加固定电压，通过两处裂纹的电流随循环电压变化的曲线；
图6(b)是本发明实施例提供的合金薄膜长度方向沿x方向平行排列，裂纹随正负电压脉冲变化的电学测试结果；
图6(c)是本发明实施例提供的合金薄膜长度方向沿x方向平行排列，与电压源正极相连的裂纹随正负电压脉冲变化的电学测试结果；
图6(d)是本发明实施例提供的合金薄膜长度方向沿x方向平行排列，与电压源负极相连的裂纹随正负电压脉冲变化的电学测试结果；
图7是本发明实施例提供的合金薄膜宽度方向沿x方向平行排列时的互补电阻开关器件结构示意图；
图8(a)是本发明实施例提供的合金薄膜宽度方向沿x方向平行排列时的互补电阻开关器件的制备流程图中的第一步；
图8(b)是本发明实施例提供的合金薄膜宽度方向沿x方向平行排列时的互补电阻开关器件的制备流程图中的第二步；
图8(c)是本发明实施例提供的合金薄膜宽度方向沿x方向平行排列时的互补电阻开关器件的制备流程图中的第三步；
图8(d)是本发明实施例提供的合金薄膜宽度方向沿x方向平行排列时的互补电阻开关器件的制备流程图中的第四步；
图8(e)是本发明实施例提供的合金薄膜宽度方向沿x方向平行排列时的互补电阻开关器件的制备流程图中的第五步；
图8(f)是本发明实施例提供的合金薄膜宽度方向沿x方向平行排列时的互补电阻开关器件的制备流程图中的第六步；
图9是本发明实施例提供的合金薄膜宽度方向沿x方向平行排列时的互补电阻开关器件的电学测试示意图；
图10(a)是本发明实施例提供的合金薄膜宽度方向沿x方向平行排列时的互补电阻开关器件光学显微图；
图10(b)是本发明实施例提供的合金薄膜宽度方向沿x方向平行排列，施加正向电压时的光学显微图；
图10(c)是本发明实施例提供的合金薄膜宽度方向沿x方向平行排列，施加负向电压时的光学显微图；
图11(a)是本发明实施例提供的合金薄膜宽度方向沿x方向平行排列，施加正向电压并撤去后，与电压源正极相连的合金薄膜内的裂纹局部的原子力显微镜图像；
图11(b)是本发明实施例提供的合金薄膜长度方沿x方向平行排列，施加负向电压并撤去后，与电压源正极相连的合金薄膜内的裂纹局部的原子力显微镜图像；
图12是本发明实施例提供的合金薄膜宽度方向沿x方向平行排列，在裂纹两侧分别施加固定电压，通过两处裂纹的电流随循环电压变化的曲线；
图13(a)是本发明实施例提供的合金薄膜宽度方向沿x方向平行排列，裂纹随正负电压脉冲变化的电学测试结果；
图13(b)是本发明实施例提供的合金薄膜宽度方向沿x方向平行排列，与电压源正极相连的裂纹随正负电压脉冲变化的电学测试结果；
图13(c)是本发明实施例提供的合金薄膜宽度方向沿x方向平行排列，与电压源负极相连的裂纹随正负电压脉冲变化的电学测试结果。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种基于可控纳米裂纹实现的互补电阻开关器件，包括铁电材料A、合金薄膜B与金属电极C1、C2、C3、C4，所述合金薄膜位于铁电材料上方，金属电极位于合金薄膜上方。器件结构呈对称分布，器件中心区域对称分布的合金薄膜长度方向沿x方向平行排列。金属电极与合金薄膜的尺寸相同，C1和C2组成第一金属电极，C3、C4组成第二金属电极，第一金属电极和第二金属电极之间有一条长方形间隙。间隙的宽为4μm-6μm。间隙的长为90μm-110μm，间隙两边的第一金属电极和第二金属电极的宽均为20μm-25μm。
如图2(a)-2(f)所示，一种基于可控纳米裂纹实现的，且合金薄膜长度方向沿x方向的互补电阻开关器件的制备流程图，包括：
在铁电材料表面依次沉积合金薄膜与金属电极；通过光刻与刻蚀工艺将合金薄膜与金属电极制备成所需的形状。
图3所示是一种基于可控纳米裂纹实现的，且合金薄膜长度方向沿x方向的互补电阻开关器件的电学测试示意图。调控电压Vc的两端分别与金属电极C1和C3相连，在金属电极C1和C2、C3和C4之间分别施加固定电压1mV，同时测量通路里面的电流，通过电流值的大小来反应裂纹的开闭。
图4所示是调控电压Vc随时间变化的示意图。Vc的变化主要分为四段，包括：从零逐渐增加到正向最大；从正向最大逐渐减小到零；从零逐渐增加到负向最大；从负向最大逐渐减小到零。在器件制备完成之后，首先施加循环电压在器件中心区域诱导产生一条沿y方向扩展的裂纹。
图5(a)是合金薄膜长度方向沿x方向的互补电阻开关器件的光学显微图。
图5(b)所示是合金薄膜长度方向沿x方向的互补电阻开关器件，在施加Vc＝+20V后的光学显微图。与电压源正极相连的合金薄膜区域内的裂纹(裂纹1)是打开状态，而与电压源负极相连的合金薄膜区域内的裂纹(裂纹2)是闭合状态。两个分离区域内的裂纹呈现一开一闭状态。插图显示的是与电压源正极相连的合金薄膜区域内的局部裂纹的扫描电子显微镜图像，裂纹打开时的宽度大约为40nm。
图5(c)所示是合金薄膜长度方向沿x方向的互补电阻开关器件，在施加Vc＝-20V后的光学显微图。与电压源正极相连的合金薄膜区域内的裂纹是闭合状态，而与电压源负极相连的合金薄膜区域内的裂纹是打开状态。结合图5(b)可以看到，位于两个分离区域内的裂纹，在循环调控电压的作用下呈现出互补式的开闭。
图6(a)所示是与电压源正负极分别相连的合金薄膜区域内的裂纹随调控电压变化的电学测试曲线。在箭头1和2所示的变化区间内：首先随着负向电压的增大，通过裂纹1的电流从约108pA骤降至103pA附近，对应的裂纹状态从闭合到打开；通过裂纹2的电流则从约103pA上升至108pA附近，对应的裂纹状态由打开到闭合；随着电压从负向最大逐渐减小至零，通过裂纹1和裂纹2的电流几乎没有发生改变，体现出了很好的非易失性。与此相对应，在箭头3和4所示的变化区间内，在正向电压作用下，裂纹1由打开状态恢复为闭合状态，裂纹2由闭合状态变为打开状态，并且依然保持了很好的非易失性。此外，还可以看到，翻转电压平均在5V左右。
图6(b)所示是与电压源正负极分别相连的合金薄膜区域内的裂纹随正负电压脉冲变化的电学测试结果。可以看到，在正负30V电压脉冲循环作用下，裂纹1和裂纹2呈现出互补式地开闭，形成互补电阻开关器件，同时具有很好的非易失性。
图6(c)和(d)所示是与电压源正负极分别相连的合金薄膜区域内的裂纹随正负电压脉冲变化的电学测试结果。可以看到，在多次正负电压脉冲循环作用下，裂纹1和裂纹2仍然呈现出很好的互补式开闭和重复性。
如图7所示，一种基于可控纳米裂纹实现的互补电阻开关器件，包括铁电材料A、合金薄膜B1、B2与金属电极C1、C2，所述合金薄膜位于铁电材料上方，金属电极位于合金薄膜上方。器件结构呈对称分布，对称分布的合金薄膜宽度方向沿x方向平行排列。金属电极C1、C2之间有一条长方形间隙。间隙的宽为4μm-6μm。间隙的长为20μm-40μm，间隙两边的第一金属电极和第二金属电极的宽均为70μm-80μm。
如图8(a)-8(f)所示，一种基于可控纳米裂纹实现的，且合金薄膜宽度方向沿x方向的互补电阻开关器件的制备流程图，包括：
在铁电材料表面依次沉积合金薄膜与金属电极；通过光刻与刻蚀工艺将合金薄膜与金属电极制备成所需的形状。
图9所示是一种基于可控纳米裂纹实现的，且合金薄膜宽度方向沿x方向的互补电阻开关器件的电学测试示意图。调控电压Vc的两端分别与金属电极C1和C2相连，在金属电极C1两端、C2两端之间分别施加固定电压1mV，同时测量通路里面的电流，通过电流值的大小来反应裂纹的开闭。
图10(a)是合金薄膜宽度方向沿x方向的互补电阻开关器件的光学显微图。
图10(b)所示是合金薄膜宽度方向沿x方向的互补电阻开关器件，在施加Vc＝+50V后的光学显微图。与电压源正极相连的合金薄膜区域内的裂纹是打开状态，而与电压源负极相连的合金薄膜区域内的裂纹是闭合状态。两个分离区域内的裂纹呈现一开一闭状态。
图10(c)所示是合金薄膜宽度方向沿x方向的互补电阻开关器件，在施加Vc＝-50V后的光学显微图。与电压源正极相连的合金薄膜区域内的裂纹(裂纹1)是闭合状态，而与电压源负极相连的合金薄膜区域内的裂纹(裂纹2)是打开状态。结合图10(b)可以看到，位于两个分离区域内的裂纹，在循环调控电压的作用下呈现出互补式的开闭。
图11(a)所示是合金薄膜宽度方向沿x方向的互补电阻开关器件，在施加Vc＝+50V并撤去后，与电压源正极相连的合金薄膜区域内，局部裂纹的原子力显微镜图像。从图中可以得出打开状态时裂纹的宽度为50nm左右。
图11(b)所示是合金薄膜宽度方向沿x方向的互补电阻开关器件，在施加Vc＝-50V并撤去后，与电压源正极相连的合金薄膜区域内，局部裂纹的原子力显微镜图像。从图中可以看到此时裂纹处于很好的闭合状态。
图12所示是与电压源正负极分别相连的合金薄膜区域内的裂纹随调控电压变化的电学测试曲线。在箭头1和2所示的变化区间内：首先随着负向电压的增大，通过裂纹1的电流从约107pA骤降至102pA附近，对应的裂纹状态从闭合到打开；通过裂纹2的电流则从几个pA上升至107pA附近，对应的裂纹状态由打开到闭合；随着电压从负向最大逐渐减小至零，通过裂纹1的电流从102pA附近下降至几个pA，裂纹2的电流几乎没有发生改变，体现出了很好的非易失性。与此相对应，在箭头3和4所示的变化区间内，在正向电压作用下，裂纹1由打开状态恢复为闭合状态，裂纹2由闭合状态变为打开状态，并且依然保持了很好的非易失性。此外，还可以看到，翻转电压平均在10V左右。
图13(a)所示是与电压源正负极分别相连的合金薄膜区域内的裂纹随正负电压脉冲变化的电学测试结果。可以看到，在正负50V电压脉冲循环作用下，裂纹1和裂纹2呈现出互补式地开闭，形成互补电阻开关器件，同时具有很好的非易失性。
图13(b)和(c)所示是与电压源正负极分别相连的合金薄膜区域内的裂纹随正负电压脉冲变化的电学测试结果。可以看到，在多次正负电压脉冲循环作用下，裂纹1和裂纹2仍然呈现出很好的互补式开闭和重复性。
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 (2)
1.一种基于可控纳米裂纹实现的互补电阻开关器件的控制方法，其特征在于，所述互补电阻开关器件包括由上至下依次设置的金属电极、合金薄膜和铁电材料，金属电极与合金薄膜的尺寸相同，金属电极包括对称分布的第一金属电极和第二金属电极，第一金属电极和第二金属电极之间有一条长方形间隙；所述间隙的宽为4μm-6μm，所述间隙的长为90μm-110μm，间隙两边的第一金属电极和第二金属电极的宽均为20μm-25μm，所述控制方法包括：
在第一金属电极和第二金属电极上施加循环电压，在间隙两边的合金薄膜上产生沿宽度方向扩展的裂纹，通过控制循环电压调控裂纹的开闭；
所述施加循环电压为施加正电压时，与电压源正极相连的第一金属电极下方的合金薄膜区域内的裂纹打开，与电压源负极相连的第二金属电极下方的合金薄膜区域内的裂纹闭合；
所述施加循环电压为施加负电压时，与电压源负极相连的第一金属电极下方的合金薄膜区域内的裂纹闭合，与电压源正极相连的第二金属电极下方的合金薄膜区域内的裂纹打开。
2.一种基于可控纳米裂纹实现的互补电阻开关器件的控制方法，其特征在于，所述互补电阻开关器件包括由上至下依次设置的金属电极、合金薄膜和铁电材料，金属电极与合金薄膜的尺寸相同，金属电极包括对称分布的第一金属电极和第二金属电极，第一金属电极和第二金属电极之间有一条长方形间隙；所述间隙的宽为4μm-6μm，所述间隙的长为20μm-40μm，间隙两边的第一金属电极和第二金属电极的宽均为70μm-80μm，所述控制方法包括：
在第一金属电极和第二金属电极上施加循环电压，在间隙两边的合金薄膜上产生沿长度方向扩展的裂纹，通过控制循环电压调控裂纹的开闭；
所述施加循环电压为施加正电压时，与电压源正极相连的第一金属电极下方的合金薄膜区域内的裂纹打开，与电压源负极相连的第二金属电极下方的合金薄膜区域内的裂纹闭合；
所述施加循环电压为施加负电压时，与电压源负极相连的第一金属电极下方的合金薄膜区域内的裂纹闭合，与电压源正极相连的第二金属电极下方的合金薄膜区域内的裂纹打开。
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