CN110911560B - 一种平面型忆阻器及其制备方法 - Google Patents

一种平面型忆阻器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种平面型忆阻器及其制备方法，所述忆阻器的结构是衬底的上一种平面结构，包括一端活性电极、一端惰性电极和电极中间的二维原子晶体，其中二维原子晶体为单晶Ⅳ‑Ⅵ族半导体，形如MX(M：Ge、Sn、Pb；X：S、Se)，它们为快离子导体，而且具有的独特褶皱层状结构，在受到电场作用时，来自活性电极被氧化的金属阳离子能在二维原子材料层间、空位或界面特殊的通道快速迁移，以实现一种低功耗、循环一致性好、开关比大等性能优异的忆阻器；此外本发明提供的制备方法简单易行，在阻变存储器和需要低功耗的人工突触器件拥有广阔的应用前景，也为忆阻器制备提供了一种新的思路。

Description

一种平面型忆阻器及其制备方法
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，更具体地，涉及一种平面型忆阻器及其制备方法。
背景技术
忆阻器，全称记忆电阻器(Memristor)，是电阻、电容、电感之外的第四种电路基本元件，早在1971年，蔡少棠教授就从逻辑和公理的观点推断出这种元件的存在，并指出它是一个与磁通量和电荷量相关的无源电路元件。忆阻器具有结构简单、易于集成、速度快、尺寸小、与CMOS兼容等特点，此外忆阻器的多值、低功耗和非线性很好的符合人工突触和人工神经元的要求，因此其在下一代存储器和神经网络方向有非常大的应用前景。
金属导电桥型忆阻器具有尺寸可缩减性好、数据保持好、多值存储潜力等优点，是忆阻器中一种重要的类型，这类器件通常由一个容易发生电化学反应的电极、一个惰性电极和电极中间的阻变层(硫族固态电介质、氧化物、有机物等)构成。施加于活性电极的正向电压使金属原子氧化为相应的阳离子，之后在电场作用下阳离子向惰性电极迁移，在惰性电极处被还原成金属原子，金属原子不断堆积并在中间阻变层形成一个导电细丝，同样的施加相反电压导电丝断裂器件回到高阻。金属导电桥型忆阻器也存在着一些问题，比如：其低阻较低导致Reset功耗较高；导电丝形成的位置随机性较高而且难以控制；用于阻变层的非晶具有较多缺陷和杂质等。
因此，现有技术存在如下缺陷：1)金属导电桥型忆阻器中导电丝形成的随机性较高使器件一致性较差；2)传统用于忆阻器的阻变层材料为非晶材料，具有较多缺陷和杂质，导电丝在这种阻变层第一次形成时需要施加一个大电压，通常在1V以上，这就造成了额外的电形成过程(forming process)增加了器件操作的复杂度和功耗；3)传统导电桥型忆阻器一般为垂直结构，阻变层厚度在几十个纳米，导电丝形成的根数较多并且导电丝较粗使其低阻较低，开启电流在mA级别，这样就会导致Reset时功耗较高等
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有忆阻器器件的一致性差、操作复杂且功耗较高的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种平面型忆阻器，包括：基底、活性电极、惰性电极以及二维原子晶体；
所述活性电极、惰性电极以及二维原子晶体均置于基底的上方；
所述活性电极位于二维原子晶体的一端，所述惰性电极位于二维原子晶体的另一端；
所述二维原子晶体为单晶Ⅳ-Ⅵ族半导体，具有褶皱层状结构，受到电场作用时，来自活性电极被氧化的金属阳离子能在二维原子晶体的通道快速迁移，之后金属阳离子在惰性电极还原并在二维原子晶体中形成导电丝，通过导电丝的通断实现忆阻器功能。
可选地，所述二维原子晶体为二维MX单晶，其中：M表示Ge、Sn或Pb中的一种；X表示S或Se中的一种。
可选地，所述活性电极和惰性电极的间隔距离为50nm～5μm。
可选地，所述活性电极的材料为银、铜、镍、钛或锂。
可选地，所述惰性电极的材料为铂、金、钨、钯、氧化铟锡、石墨烯或半金属型二维原子晶体材料。
可选地，所述二维原子晶体的厚度不小于两个原子层的厚度。
第二方面，本发明提供一种平面型忆阻器的制备方法，包括如下步骤：
利用机械剥离、化学气相沉积、化学气相传输、分子束外延或激光减薄方法制备获得二维原子晶体；
将二维原子晶体转移至基底的上方，并退火处理；
在二维原子晶体的一端制备惰性电极；
在二维原子晶体的另一端制备出活性电极；所述二维原子晶体为Ⅳ-Ⅵ族半导体，具有褶皱层状结构，受到电场作用时，来自活性电极被氧化的金属阳离子能在二维原子晶体的通道快速迁移，之后金属阳离子在惰性电极还原并在二维原子晶体中形成导电丝，通过导电丝的通断实现忆阻器功能。
可选地，所述二维原子晶体为二维MX单晶，其中：M表示Ge、Sn或Pb中的一种；X表示S或Se中的一种。
可选地，所述活性电极和惰性电极的间隔距离为50nm～5μm。
可选地，所述二维原子晶体的厚度不小于两个原子层的厚度。
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，具有以下有益效果：
本发明利用二维MX单晶(M：Ge、Sn、Pb；X：S、Se)当做平面的阻变介质层，利用其具有的快离子导体特性和褶皱层状结构，使活性电极在受到正向电场作用时，被氧化的金属阳离子能在所选二维原子晶体层间、空位或界面特定的通道快速迁移，同时阻变介质层由传统三维体材料降为二维材料进一步约束了导电丝形成位置，减少了导电丝形成的随机性，改善了器件的循环一致性，实现了一种平面结构的忆阻器。
本发明所制备出的忆阻器阻变介质层为单晶材料，缺陷和杂质较少，从而使这种器件不同于传统非晶阻变层忆阻器，导电丝首次形成时无需跨过较大的势垒，避免了初始的导电丝电形成过程(forming free)；器件开关比最高可达到105；85℃保持时间可达到103秒以上；同时这种MX(M：Ge、Sn、Pb；X：S、Se)材料为硫系化合物，具备快离子传导特性，离子传输较为容易，使器件开启和关断电压可达到200mV左右；器件横向结构较长的沟道使导电丝形成的根数较少，令器件开启电流在微安级别；其工作电压低于绝大部分报道的忆阻器件，开启电流低于一般忆阻器件的毫安级电流，因而此器件具有较低的功耗；并且从实际测得的直流循环和阈值电压分布统计来看器件具有较好的循环一致性。
本发明通过脉冲操作可使器件电阻逐渐改变，达到多个阻态，令其在多值存储以及人工突触或人工神经元方向有极大的应用潜力。
附图说明
图1是本发明器件结构示意图。
图2是本发明所选用的二维原子晶体：MX(M：Ge、Sn、Pb；X：S、Se)的结构示意图。
图3是本发明实施例硒化锗器件的电流-电压特性图。
图4是本发明实施例硒化锗器件的直流扫描循环特性图。
图5是本发明实施例硒化锗器件阈值电压分布统计。
图6是本发明实施例硒化锗器件85℃保持时间图。
图7是本发明实施例硒化锗器件施加脉冲后电阻被调制图。
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。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。
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种平面低功耗原子忆阻器及其制备方法，其目的在于利用二维原子晶体当做平面的阻变介质层，实现一种平面结构的忆阻器。利用具有快离子导体特性、独特褶皱层状结构和缺陷较少的二维MX单晶(M：Ge、Sn、Pb；X：S、Se)，使活性电极在受到电场作用时，被氧化的金属阳离子能在所选二维原子晶体层间、空位或界面特定的通道快速迁移，减少了导电丝形成和断裂的随机性，实现了一种低功耗、循环一致性好、开关比大的高性能忆阻器。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种平面低功耗原子忆阻器，所述忆阻器的结构是一种平面结构，包括一端活性电极、一端惰性电极和电极中间的二维原子晶体。
所述活性电极和惰性电极的间隔距离为50nm～5μm。
所述活性电极的材料为银、铜、镍、钛或锂；所述惰性电极的材料为铂、金、钨、钯、柔性导电材料如氧化铟锡或石墨烯等半金属型二维原子晶体材料。
所述二维原子晶体的厚度在双原子层(约0.6nm)至100nm。
作为本发明的进一步优选，所述二维原子晶体为单晶Ⅳ-Ⅵ族半导体，形如MX(M：Ge、Sn、Pb；X：S、Se)。
作为本发明的进一步优选，所述电极中间的二维原子晶体取向为锯齿状(zigzag)方向。
所述忆阻器的基底包括氧化硅、氮化硅、氧化铝、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。
所述的一种基于二维原子晶体的界面型原子忆阻器的制备步骤：
1)利用机械剥离、化学气相沉积(CVD)、化学气相传输(CVT)、分子束外延(MBE)或激光减薄方法制备获得二维原子晶体材料；
2)将二维原子晶体材料转移至基底，并退火处理；
3)采用紫外光刻法或电子束光刻法在二维原子晶体一端设计惰性电极图案；
4)用磁控溅射法或者物理气相沉积方法制备出惰性电极；
5)采用紫外光刻法或电子束光刻法在二维原子晶体另一端，距离惰性电极50nm～5μm处设计活性电极图案；
6)用磁控溅射法或者物理气相沉积方法制备出活性电极；
所述步骤(2)中的退火处理为：通入Ar/H2(流量100/5sccm)、温度为300℃条件下退火一个小时。
下面结合说明书附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明中的平面低功耗原子忆阻器，其结构是衬底上的一种平面结构，包括一端活性电极、一端惰性电极和电极中间的二维原子晶体，电极间隔50nm～5μm，其中二维原子晶体为二维单晶MX(M：Ge、Sn、Pb；X：S、Se)，它们为快离子导体，而且具有的独特褶皱层状结构，如图2所示，水平方向分为锯齿状方向(Zigzag)和椅型方向(Amchair)。在受到电场作用时，来自活性电极被氧化的金属阳离子能在二维原子材料层间、空位或界面特定的通道快速迁移，之后金属阳离子在惰性电极还原，并在二维原子晶体中形成导电丝，其中锯齿状方向(Zigzag)为导电丝最优的生长路径，器件通过导电丝的通断实现忆阻器功能。
实施例1
1)硒化锗的制备和转移：利用机械剥离的方法剥离出硒化锗薄膜至SiO2/Si衬底表面，薄膜的厚度约20nm，然后在Ar/H2(流量100/5sccm)、温度为300℃条件下退火一个小时；
2)惰性电极制备：采用紫外光刻法或电子束光刻法在二维原子晶体一端设计惰性电极图案，然后采用电子束蒸发蒸镀50nm厚度金电极，最后剥离得到惰性金电极；
3)活性电极制备：采用紫外光刻法或电子束光刻法在二维原子晶体另一端，距离惰性电极300nm处设计活性电极图案，然后采用电子束蒸发蒸镀50nm厚度银电极，最后剥离得到活性银电极。
实施例2
1)硫化锗的制备和转移：利用机械剥离的方法剥离出硫化锗薄膜至SiO2/Si衬底表面，薄膜的厚度约20nm，然后在Ar/H2(流量100/5sccm)、温度为300℃条件下退火一个小时；
2)惰性电极制备：采用紫外光刻法或电子束光刻法在二维原子晶体一端设计惰性电极图案，然后采用电子束蒸发蒸镀50nm厚度金电极，最后剥离得到惰性金电极；
3)活性电极制备：采用紫外光刻法或电子束光刻法在二维原子晶体另一端，距离惰性电极300nm处设计活性电极图案，然后采用电子束蒸发蒸镀50nm厚度银电极，最后剥离得到活性银电极。
实施例3
1)硫化锡的制备和转移：利用机械剥离的方法剥离出硫化锡薄膜至SiO2/Si衬底表面，薄膜的厚度约20nm，然后在Ar/H2(流量100/5sccm)、温度为300℃条件下退火一个小时；
2)惰性电极制备：采用紫外光刻法或电子束光刻法在二维原子晶体一端设计惰性电极图案，然后采用电子束蒸发蒸镀50nm厚度金电极，最后剥离得到惰性金电极；
3)活性电极制备：采用紫外光刻法或电子束光刻法在二维原子晶体另一端，距离惰性电极300nm处设计活性电极图案，然后采用电子束蒸发蒸镀50nm厚度银电极，最后剥离得到活性银电极。
实施例4
1)硒化锡的制备和转移：利用机械剥离的方法剥离出硒化锡薄膜至SiO2/Si衬底表面，薄膜的厚度约20nm，然后在Ar/H2(流量100/5sccm)、温度为300℃条件下退火一个小时；
2)惰性电极制备：采用紫外光刻法或电子束光刻法在二维原子晶体一端设计惰性电极图案，然后采用电子束蒸发蒸镀50nm厚度金电极，最后剥离得到惰性金电极；
3)活性电极制备：采用紫外光刻法或电子束光刻法在二维原子晶体另一端，距离惰性电极300nm处设计活性电极图案，然后采用电子束蒸发蒸镀50nm厚度银电极，最后剥离得到活性银电极。
图3是发明实施1例硒化锗器件的电流-电压特性图。可见所制备的器件具有典型的记忆电阻特性，由电流-电压测试图可知，器件开关电压在200mV左右，低于绝大部分忆阻器件，开启电流微安级别，小于一般金属导电桥型忆阻器件毫安级电流，因此与现有忆阻器相比，本器件的功耗较低。
图4是本发明实施例硒化锗器件的直流扫描循环特性图，图5是本发明实施例硒化锗器件的阈值电压分布统计。从图4可以看出直流循环扫描时，每次扫描曲线基本重合，而且测试时没有出现初始电形成过程(forming free)，进一步的，从图5的阈值电压分布统计可以看出器件的开关电压分布很集中，意味着器件每次循环操作时基本在相同电压下开启和关闭，器件循环一致性很好。
图6是本发明实施例硒化锗器件85℃保持时间图。可见器件可以在85℃条件下稳定保持103S以上，具有较好的保持特性。
图7是本发明实施例硒化锗器件施加脉冲后电阻被调制图。可见通过施加如图7左下角所示的-2.5V 200uS脉冲后，器件电阻可逐渐改变，如图可从7.5GΩ慢慢调制到1.5GΩ，实现多个阻态。
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 (8)

1.一种平面型忆阻器，其特征在于，包括：基底、活性电极、惰性电极以及二维原子晶体；
所述活性电极、惰性电极以及二维原子晶体均置于基底的上方；
所述活性电极位于二维原子晶体的一端，所述惰性电极位于二维原子晶体的另一端；
所述二维原子晶体为单晶Ⅳ-Ⅵ族半导体，具有褶皱层状结构，受到电场作用时，来自活性电极被氧化的金属阳离子能在二维原子晶体的通道快速迁移，之后金属阳离子在惰性电极还原并在二维原子晶体中形成导电丝，通过导电丝的通断实现忆阻器功能；
所述二维原子晶体为二维MX单晶，其中：M表示Ge、Sn或Pb；X表示S或Se。
2.根据权利要求1所述的平面型忆阻器，其特征在于，所述活性电极和惰性电极的间隔距离为50nm～5μm。
3.根据权利要求1或2所述的平面型忆阻器，其特征在于，所述活性电极的材料为银、铜、镍、钛或锂。
4.根据权利要求1或2所述的平面型忆阻器，其特征在于，所述惰性电极的材料为铂、金、钨、钯、氧化铟锡、石墨烯或半金属型二维原子晶体材料。
5.根据权利要求1所述的平面型忆阻器，其特征在于，所述二维原子晶体的厚度不小于两个原子层的厚度。
6.一种平面型忆阻器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
利用机械剥离、化学气相沉积、化学气相传输、分子束外延或激光减薄方法制备获得二维原子晶体；
将二维原子晶体转移至基底的上方，并退火处理；
在二维原子晶体的一端制备惰性电极；
在二维原子晶体的另一端制备出活性电极；所述二维原子晶体为单晶Ⅳ-Ⅵ族半导体，具有褶皱层状结构，受到电场作用时，来自活性电极被氧化的金属阳离子能在二维原子晶体的通道快速迁移，之后金属阳离子在惰性电极还原并在二维原子晶体中形成导电丝，通过导电丝的通断实现忆阻器功能；
所述二维原子晶体为二维MX单晶，其中：M表示Ge、Sn或Pb；X表示S或Se。
7.根据权利要求6所述的平面型忆阻器的制备方法，其特征在于，所述活性电极和惰性电极的间隔距离为50nm～5μm。
8.根据权利要求6所述的平面型忆阻器的制备方法，其特征在于，所述二维原子晶体的厚度不小于两个原子层的厚度。
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