CN111106238A - 一种基于金属掺杂的双向阈值选通器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于金属掺杂的双向阈值选通器及其制备方法，选通器由衬底、底电极、介质层和顶电极依次叠加构成，所述介质层为掺杂活泼金属元素的过渡金属氢氧化物。本发明中底电极和顶电极采用同种材料，掺杂活泼金属离子的过渡金属氢氧化物介质层采用可印刷的溶液法低温制备。本发明通过溶液法制备，方法简单、工艺温度低、成本低、与柔性电路工艺兼容性好；阈值选通具有双向性，可以有效解决双极型阻变存储器交叉阵列结构中的电流交叉串扰问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体存储器件领域，更具体地，涉及一种基于金属掺杂的双向阈值选通器及其制备方法。
背景技术
随着大数据时代的到来，电子设备对非易失存储器的集成度和性能都提出了更高的要求，但传统基于浮栅型晶体管结构的闪存却面临着功耗高、可靠性差、集成度接近理论极限的困扰，近些年来产业和研究机构一直致力于开发下一代新型非易失存储器件。阻变存储器由于其器件结构简单、擦写速度快、功耗低、3D存储潜力及与CMOS工艺兼容等优点而引起了学术界和工业界的高度重视，是下一代非易矢性存储器的有力竞争者。通常，高密度阻变存储器件采用交叉阵列结构，但是其存在着严重的串扰电流问题，导致器件发生信息误读。十字交叉阵列结构的串扰电流问题是其在应用道路上必须要解决的问题。
发明内容
本发明为克服上述现有技术阻变存储器由存在串扰电流的问题，提供一种基于金属掺杂的双向阈值选通器及其制备方法，在阻变存储器引入选通器，抑制电流的交叉串扰问题，且制备方法简单。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种基于金属掺杂的双向阈值选通器由衬底、底电极、介质层和顶电极依次叠加构成，所述介质层为掺杂活泼金属元素的过渡金属氢氧化物。过渡金属氢氧化物可以为Ni(OH)2等
优选的，在所述衬底可以为绝缘硬质衬底或绝缘柔性衬底。绝缘硬质衬底可以为Si/SiO2、Si/Si3N4等，或玻璃衬底、蓝宝石等；绝缘柔性衬底可以PET(Polyethyleneterephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)或PI(Polyimide，聚酰亚胺)；
优选的，所述顶电极和所述底电极为同种材料，均为金属或透明导电薄膜。金属可以为Pt、Au，透明导电薄膜可以为ITO(氧化铟锡)。顶电极和底电极为同一种材料，选通器的器件结构具有对称性。
优选的，所述介质层中的掺杂活泼金属元素为易于发生氧化还原反应的金属元素。掺杂元素为Ag、Cu、Li等易于发生氧化还原反应的金属元素。
优选的，在所述介质层中，所述掺杂活泼金属元素的所占的比例低于10％。
还提供一种用于制备上述基于金属掺杂的双向阀值选通器的方法，包括以下的步骤：
步骤一：配置混合有二甲氧基乙醇溶液和掺杂活泼金属元素有机溶液的前驱体溶液；前驱体溶液可以是过渡金属硝酸盐的有机溶液，并添加掺杂活泼金属元素的金属盐，溶剂采用二甲氧基乙醇等有机溶液，也可以是水溶液；可加入乙酰丙酮等作为燃烧剂降低反应温度，加入氨水等调节pH值，经过搅拌、过滤、静置等工艺配制而成；
步骤二：在衬底上沉积底电极，并改善底电极表面的亲水性；
步骤三：旋涂或者印刷前驱体溶液，之后进行热处理，使前驱体发生反应生成氢氧化物薄膜，形成介质层；
步骤四：在介质层上沉积顶电极。
优选的，在所述步骤二中，通过等离子体处理或者UV处理改善底电极表面的亲水性。
优选的，在所述步骤三中，热处理温度低于300度，热处理的形式为热板处理或热板处理结合UV处理。
优选的，介质层形成后进行退火处理。提高过渡金属氢氧化物介质层的致密性。
优选的，通过多次重复步骤三或改变前驱体溶液的浓度改变介质层的厚度。
与现有技术相比，有益效果是：
1.使用溶液法制备掺杂过渡金属氢氧化物作为介质层，对设备要求较低、制备成本低、操作简单，并且可大面积制备；
2.过渡金属氢氧化物掺杂介质层的制备温度低，与柔性电路系统的兼容性好；
3.器件具有对称的双向阈值选通功能，有望应用于双极型阻变器件构成的交叉阵列电路，抑制电流的交叉串扰问题。
附图说明
图1是本发明的双向阈值选通器的结构剖面图；
图2为本发明的双向阈值选通器的实施例1的循环I-V特性曲线图(正负向分别5个循环)；
图3为本发明的双向阈值选通器的实施例1中负向脉冲电压刺激高低阻态电流的累计分布曲线；
图4为本发明的双向阈值选通器的实施例1中正向脉冲电压刺激高低阻态电流的累计分布曲线。
其中：101、沉底；102、底电极；103、介质层；104、顶电极；1、高阻态保持过程；2、正向电压激励下由高阻态跃迁为低阻态的过程；3、低阻态保持过程；4、高阻态保持过程；5、负向电压激励下由高阻态跃迁为低阻态的过程；6、低阻态保持过程。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例1
如图1所示为一种基于金属掺杂的双向阈值选通器的实施例，由衬底、底电极、介质层和顶电极依次叠加构成，介质层为掺杂活泼金属元素的过渡金属氢氧化物。其中，衬底的材质为Si/SiO2，底电极和顶电极的材质为Pt，介质层为掺杂银离子的Ni(OH)2。掺杂金属元素所占的比例为9％。
本实施例的工作原理:如图2-4为本实施例的测试图谱，介质层中掺杂易于发生氧化还原反应的金属元素，通过施加正向或负向电压发生氧化还原反应，形成金属导电细丝，调节限制电流的大小实现导电细丝尺寸调控，使细丝在撤去电场的过程中自然断裂，从而实现阈值选通行为；由于金属元素在介质层中均匀掺杂，导电细丝的形成不受电压极性的影响，器件具有双向阈值选通特性。
本实施例的有益效果：过渡金属氢氧化物掺杂介质层的制备温度低，与柔性电路系统的兼容性好；器件具有对称的双向阈值选通功能，有望应用于双极型阻变器件构成的交叉阵列电路，抑制电流的交叉串扰问题。
实施例2
一种用于制备实施例1所述的基于金属掺杂的双向阀值选通器的方法，包括以下的步骤：
步骤一：配置混合有二甲氧基乙醇溶液和掺杂金属元素有机溶液的前驱体溶液；称量290.8mgNi(NO3)2·6H2O溶质溶于5ml二甲氧基乙醇溶液中，掺杂0.2ml浓度为0.1mol/L的硝酸银有机溶液，并滴加0.3ml乙酰丙酮和50ul氨水，持续搅拌20h并过滤静置。
步骤二：采用电子束热蒸发方法在衬底上蒸镀50nm的Ti粘附层，并蒸镀20nm的Pt作为底电极；
步骤三：旋涂或者印刷前驱体溶液，之后进行热处理，使前驱体发生反应生成氢氧化物薄膜，形成介质层；旋涂前驱体溶液，转速采用4300r/min，时间为30s，将旋涂好的基片放在UV处理台上照射并在200℃温度下加热30min，使前驱体发生氧化还原反应形成Ni(OH)2薄膜，并蒸发掉多余溶剂。重复旋涂6次，每层之间使用UV处理并200℃热板加热30min，使介质层厚度达到40nm。
步骤四：使用掩膜版覆盖电子束热蒸发方式蒸镀20nm的Pt作为顶电极。
其中，在步骤二中，通过等离子体处理或者UV处理改善底电极表面的亲水性。
另外的，旋涂完六层的前驱体溶液的基片进行1小时200℃的退火处理，来提高Ni(OH)2薄膜的致密性。
本实施例的有益效果：使用溶液法制备掺杂过渡金属氢氧化物作为介质层，对设备要求较低、制备成本低、操作简单，并且可大面积制备。
实施例3
一种用于制备实施例1的基于金属掺杂的双向阀值选通器的方法，包括以下的步骤：
步骤一：配置混合有二甲氧基乙醇溶液和掺杂金属元素有机溶液的前驱体溶液；称量290.8mgNi(NO3)2·6H2O溶质溶于5ml二甲氧基乙醇溶液中，掺杂0.2ml浓度为0.1mol/L的硝酸银有机溶液，并滴加0.3ml乙酰丙酮和50ul氨水，持续搅拌20h并过滤静置。
步骤二：采用电子束热蒸发方法在衬底上蒸镀55nm的Ti粘附层，并蒸镀25nm的Pt作为底电极；
步骤三：旋涂或者印刷前驱体溶液，之后进行热处理，使前驱体发生反应生成氢氧化物薄膜，形成介质层；旋涂前驱体溶液，转速采用4800r/min，时间为40s，将旋涂好的基片放在UV处理台上照射并在250℃温度下加热32min，使前驱体发生氧化还原反应形成Ni(OH)2薄膜，并蒸发掉多余溶剂。重复旋涂6次，每层之间使用UV处理并250℃热板加热32min，使介质层厚度达到50nm。
步骤四：使用掩膜版覆盖电子束热蒸发方式蒸镀25nm的Pt作为顶电极。
其中，在步骤二中，通过等离子体处理或者UV处理改善底电极表面的亲水性。
另外的，旋涂完六层的前驱体溶液的基片进行1小时230℃的退火处理，来提高Ni(OH)2薄膜的致密性。
实施例4
一种用于制备实施例1的基于金属掺杂的双向阀值选通器的方法，包括以下的步骤：
步骤一：配置混合有二甲氧基乙醇溶液和掺杂金属元素有机溶液的前驱体溶液；称量290.8mgNi(NO3)2·6H2O溶质溶于5ml二甲氧基乙醇溶液中，掺杂0.2ml浓度为0.1mol/L的硝酸银有机溶液，并滴加0.3ml乙酰丙酮和50ul氨水，持续搅拌20h并过滤静置。
步骤二：采用电子束热蒸发方法在衬底上蒸镀45nm的Ti粘附层，并蒸镀15nm的Pt作为底电极；
步骤三：旋涂或者印刷前驱体溶液，之后进行热处理，使前驱体发生反应生成氢氧化物薄膜，形成介质层；旋涂前驱体溶液，转速采用4000r/min，时间为40s，将旋涂好的基片放在UV处理台上照射并在170℃温度下加热27min，使前驱体发生氧化还原反应形成Ni(OH)2薄膜，并蒸发掉多余溶剂。重复旋涂6次，每层之间使用UV处理并170℃热板加热27min，使介质层厚度达到30nm。
步骤四：使用掩膜版覆盖电子束热蒸发方式蒸镀15nm的Pt作为顶电极。
其中，在步骤二中，通过等离子体处理或者UV处理改善底电极表面的亲水性。
另外的，旋涂完六层的前驱体溶液的基片进行1小时170℃的退火处理，来提高Ni(OH)2薄膜的致密性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于金属掺杂的双向阈值选通器，其特征在于，由衬底(101)、底电极(102)、介质层(103)和顶电极(104)依次叠加构成，所述介质层(103)为掺杂活泼金属元素的过渡金属氢氧化物。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属掺杂的双向阈值选通器，其特征在于，在所述衬底(101)可以为绝缘硬质衬底或绝缘柔性衬底。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于金属掺杂的双向阈值选通器，其特征在于，所述顶电极(104)和所述底电极(102)为同种材料，均为金属或透明导电薄膜。
4.根据权利要求3所述的一种基于金属掺杂的双向阈值选通器，其特征在于，所述介质层(103)中的掺杂活泼金属元素为易于发生氧化还原反应的金属元素。
5.根据权利要求4所述的一种基于金属掺杂的双向阈值选通器，其特征在于，在所述介质层(103)中，所述掺杂活泼金属元素所占的比例低于10％。
6.一种基于金属掺杂的双向阈值选通器的制备方法，其特征在于，包括以下的步骤：
步骤一：配置混合有二甲氧基乙醇溶液和掺杂活泼金属元素有机溶液的前驱体溶液；
步骤二：在衬底上沉积底电极，并改善底电极表面的亲水性；
步骤三：旋涂或者印刷前驱体溶液，之后进行热处理，使前驱体发生反应生成氢氧化物薄膜，形成介质层；
步骤四：在介质层上沉积顶电极。
7.根据权利要求6所述的一种基于金属掺杂的双向阈值选通器的制备方法，其特征在于，在所述步骤二中，通过等离子体处理或者UV处理改善底电极表面的亲水性。
8.根据权利要求6所述的一种基于金属掺杂的双向阈值选通器的制备方法，其特征在于，在所述步骤三中，热处理温度低于300度，热处理的形式为热板处理或热板处理结合UV处理。
9.根据权利要求6所述的一种基于金属掺杂的双向阈值选通器的制备方法，其特征在于，介质层形成后进行退火处理。
10.根据权利要求6所述的一种基于金属掺杂的双向阈值选通器的制备方法，其特征在于，通过多次重复步骤三或改变前驱体溶液的浓度改变介质层的厚度。
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