CN112018232A - 一种选通管材料及包含选通管材料的选通管单元 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种选通管材料及包含选通管材料的选通管单元，所述选通管材料的组分通式为(SnxSe1‑x)1‑yNy，其中，N为掺杂材料，且0.1≤x≤0.9，0.05≤y≤0.7。本发明的选通管材料通过在SnSe材料中掺入掺杂材料，调节和优化该选通材料制作的选通管单元的开通电流、漏电流及疲劳特性等性能。本发明的提供的包含该选通管材料的选通管单元具有开通电流大、漏电流小、材料简单及无毒性等优点。
Description
技术领域
本发明属于微纳电子技术领域，特别是涉及一种选通管材料及包含选通管材料的选通管单元。
背景技术
二十一世纪是信息时代，随着数字产品的不断发展和更新，海量数据的产生对计算机的存储要求越来越高。为了实现海量数据存储，实现存储单元的高密度集成是关键，三维集成是一种很好的实现高密度的方法。为了防止在集成后的结构中存储单元之间的相互影响，需要对存储单位设置一个开关来防止误操作和漏电，防止对近邻非操作单元的影响。这一个开关可以使非操作单位一直保持在未激活状态。一个好的开关需要具备如下特点：小的漏电流，开启电流与存储单元匹配，大的开关比，响应速度快，以及重复操作性能好等。
目前已经有的选通管主要有双向阈值开关(Ovonic Threshold Switching)、导电桥阈值开关(Conductive Bridge Threshold Switching)、金属-绝缘体转变(Metal-Insulator Transition)等类型。但是这些材料都会存在一些问题，比如材料毒性大、组分复杂、开启电流小、漏电流大、开启速度慢、疲劳性能差等，因此需要寻找新的选通管材料。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种选通管材料及包含选通管材料的选通管单元，用于解决现有技术中选通管材料组分复杂、材料毒性大、开通电流小、漏电流大、选通比小及疲劳性能差的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种选通管材料，所述选通管材料的组分通式为(SnxSe1-x)1-yNy，其中，N为掺杂材料，且0.1≤x≤0.9，0.05≤y≤0.7。
作为本发明选通管材料的一种优化的方案，在所述选通管材料的组分通式(SnxSe1-x)1-yNy中，0.1≤x≤0.7，0.2≤y≤0.7。
作为本发明选通管材料的一种优化的方案，所述掺杂材料包括Si、C、N、SiO2、SiN、SiO、Si3N4及SiC中的至少一种。
作为本发明选通管材料的一种优化的方案，所述选通管材料包括双向阈值开关型选通材料。
作为本发明选通管材料的一种优化的方案，所述选通管材料在电信号的作用下可以实现高阻态到低阻态的转变，并在撤去电信号后回到高阻状态。
作为本发明选通管材料的一种优化的方案，所述选通管材料的开/关电流比介于10～108之间。
本发明还提供一种选通管单元，所述选通管单元至少包括：
选通管材料层，包括上述任一方案所述的选通管材料；
第一电极，位于所述选通管材料层的第一表面；
第二电极，位于所述选通管材料层上与所述第一表面相对的第二表面。
作为本发明选通管单元的一种优化的方案，所述选通管材料层的厚度介于3nm～100nm之间。
作为本发明选通管单元的一种优化的方案，所述第一电极的材料包括Ti、TiN、Ag、Au、Cu、Al及W中的至少一种；所述第二电极的材料包括Ti、TiN、Ag、Au、Cu、Al及W中的至少一种。
作为本发明选通管单元的一种优化的方案，所述选通管单元的开通电流大于或者等于10-4A，所述选通管单元的选通比大于或者等于3，所述选通管单元的漏电流小于或者等于10-7A，所述选通单元的循环次数大于或者等于106。
如上所述，本发明的选通管材料及包含选通管材料的选通管单元，所述选通管材料的组分通式为(SnxSe1-x)1-yNy，其中，N为掺杂材料，且0.1≤x≤0.9，0.05≤y≤0.7。本发明的选通管材料通过在SnSe材料中掺入掺杂材料，可以提高该选通材料制作的选通管单元的热稳定性、降低该选通材料制作的选通管单元的漏电流、增强该选通管材料制作的选通管单元的可重复性。本发明的选通管单元具有开通电流大、漏电流小、选通比大、热稳定性好、疲劳性能好、可重复性高、材料简单无毒性等优点。
附图说明
图1为本发明实施例一中选通管材料(50nm)掺杂前后的电阻-温度曲线。
图2为本发明为本发明实施例一中选通管材料(15nm)掺杂前后的TEM明场像和衍射。
图3为本发明实施例二中提供的选通管单元的截面结构示意图。
图4为本发明实施例二中提供的选通管单元(Sn0.5Se0.5)0.43Si0.57(20nm)的电压-电流曲线。
图5为本发明实施例三中提供的选通管单元(Sn0.5Se0.5)0.8Si0.2(20nm)的电压-电流曲线。
图6为本发明实施例三中提供的选通管单元(Sn0.5Se0.5)0.8Si0.2(20nm)的循环次数曲线。
元件标号说明
10选通管材料层
11第一电极
12第二电极
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本实施例提供一种选通管材料，所述选通管材料为包含Sn(锡)、Se(硒)以及掺杂材料的化合物，所述选通管材料的化学通式为(SnxSe1-x)1-yNy，其中，N为掺杂材料，且0.1≤x≤0.9、0.05≤y≤0.7。
优选地，在所述选通管材料的组分通式(SnxSe1-x)1-yNy中，0.1≤x≤0.7，0.2≤y≤0.7。更优地，x＝0.5，y＝0.57；x＝0.5，y＝0.2。
作为示例，所述掺杂材料可以包括介质材料，优选地，所述掺杂材料可以包含Si(硅)、C(碳)、N(氮)、SiO2(二氧化硅)、SiN(氮化硅)、SiO(一氧化硅)、Si3N4(氮化硅)及SiC(碳化硅)中的至少一种，即所述掺杂材料包括C、N、Si、SiO2、SiN、SiO、Si3N4或SiC，也可以包括C、N、Si、SiO2、SiN、SiO、Si3N4及SiC中两种或两种以上的组合。
本实施例提供的选通管材料，通过在SnSe材料中掺入C、N、Si、SiO2、SiN、SiO、Si3N4及SiC中的至少一种作为掺杂材料，打乱了初始的有序结构，使掺杂后的材料保持在非晶态。可以提高该选通材料制作的选通管单元的热稳定性、降低该选通材料制作的选通管单元的漏电流、增强该选通管材料制作的选通管单元的可重复性。请参阅图1，图1为SnSe掺杂Si前后的电阻-温度曲线。由图可知，纯的SnSe材料初始电阻低，且在升温到400℃过程中没有电阻的急速下降过程。掺杂Si后，薄膜沉积态电阻增加，且存在电阻急速下降过程。再请参阅图2，图2为SnSe和Si0.2(Sn0.5Se0.5)0.8的TEM明场像和衍射图片，可以发现掺杂Si后，材料的初始态从晶态变到非晶态，说明掺杂会使SnSe热稳定性增强。
需要说明的是，在上述示例中，无论所述掺杂材料选择为C、N、Si、SiO2、SiN、SiO、Si3N4或SiC，还是选择为C、N、Si、SiO2、SiN、SiO、Si3N4及SiC中一种或多种，所述选通管材料中所述掺杂材料的原子百分比均小于或者等于40％。
作为示例，所述选通管材料可以包括双向阈值开关型选通材料。
作为示例，所述选通管材料在电信号的操作下可实现高阻态到低阻态的瞬时转变，且在撤去电信号时瞬时返回高阻态。
作为示例，所述选通管材料的开/关电流比(即选通比)可以包括1～8个数量级(即10～108)。
实施例二
请参阅图3，本发明还提供一种选通管单元，所述选通管单元包括：选通管材料层10、第一电极11及第二电极12；
其中，所述选通管材料层10包括如实施例一中所述的选通管材料，即所述选通管材料层10为如实施例一中所述的选通管材料制备而成的材料层；所述选通管材料层10的组分具体请参阅实施例一，此处不再累述；
所述第一电极11位于所述选通管材料层10的第一表面(可以是上表面)；
所述第二电极12位于所述选通管材料层10上与所述第一表面相对的第二表面(可以是下表面)。
作为示例，所述选通管材料层10可以通过但不限于磁控溅射工艺而形成。
作为示例，所述选通管材料层10的厚度可以根据实际需要进行设定，优选地，所述选通管材料层10的厚度可以为3nm～100nm，更为优选地，本实施例中，所述选通管材料层10的厚度为20nm。当然，在其他实施例中，所述选通管材料层10的厚度还可以是10nm、30nm、40nm、50nm、60nm、80nm、100nm等等。
作为示例，可以采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子气相沉积法(AVD)或原子层沉积法(ALD)中的任意一种方法于所述选通管材料层10的上表面形成所述第一电极11。
作为示例，可以采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子气相沉积法(AVD)或原子层沉积法(ALD)中的任意一种方法于所述选通管材料层10的下表面形成所述第二电极12。
作为示例，所述第一电极11的材料可以包括但不限于Ti(钛)、TiN(氮化钛)、Ag(银)、Au(金)、Cu(铜)、Al(铝)及W(钨)中的至少一种。所述第二电极12的材料可以包括但不限于Ti、TiN、Ag、Au、Cu、Al及W中的至少一种。
作为示例，所述第一电极11与所述选通管材料层10之间还可以设有过渡层(未示出)，即此时，所述过渡层位于所述选通管材料层10的上表面，所述第一电极11位于所述过渡层的上表面；所述过渡层的材料可以包括但不限于TiN(氮化钛)，所述过渡层用于增加所述第一电极11与所述选通管材料层10之间的黏附力。所述过渡层的厚度可以根据实际需要进行设定，譬如，所述过渡层的厚度可以为但不限于10nm。当然，所述第一电极11与所述选通管材料层10之间未设有所述过渡层时，所述第一电极11可以直接形成于所述选通管材料层10的上表面。
作为示例，所述第二电极12与所述选通管材料层10之间也可以设有过渡层(未示出)，即此时，所述过渡层位于所述选通管材料层10的下表面，所述第二电极12位于所述过渡层的下表面；所述过渡层的材料可以包括但不限于TiN(氮化钛)，所述过渡层用于增加所述第二电极12与所述选通管材料层10之间的黏附力。所述过渡层的厚度可以根据实际需要进行设定，譬如，所述过渡层的厚度可以为但不限于10nm。当然，第二电极12与所述选通管材料层10之间未设有所述过渡层时，所述第二电极12可以直接形成于所述选通管材料层10的下表面。
在该示例中，所述选通管单元中的所述选通管材料层10为通过磁控溅射工艺(SnSe靶材与Si靶材共溅射)得到的厚度为20nm的(Sn0.5Se0.5)0.43Si0.57层，所述第二电极12为直径为190nm的钨电极，所述第一电极11为Al电极，且所述第一电极11与所述选通管材料层10之间设有10nm厚的TiN过渡层。该示例中所述的选通管单元通过探针台重复测试3次后得到的电压-电流曲线，如图4所示，由图4可知，当所述选通管单元上施加电压小于阈值电压(Vth)时，所述选通管单元处于关闭状态，在小于1/2Vth的时候，通过所述选通管单元的电流很小，小于10-7A；当所述选通管单元上施加电压超过阈值电压(5V～6V)时，所述选通管单元被瞬间打开，通过所述选通管单元的电流急剧增加到0.1mA以上；当所述选通管单元上施加的电压撤去时，所述选通管单元又瞬间被关闭，通过所述选通管单元的电流急剧减小，变为高阻态。
实施例三
本实施例与实施例二采用基本相同的技术方案，不同之处在于通过调整Si和SnSe靶的溅射功率，调整材料薄膜组分为(Sn0.5Se0.5)0.8Si0.2。
该示例中所述的选通管单元通过探针台重复测试多次后得到的电压-电流曲线如图5所示，由图5可知，该示例中的所述选通管单元的阈值电压在依然在5到6左右。在小于1/2Vth的时候，电流小于10-8A,开启电流为1mA，选通大于105。该示例中的所述选通管单元重复测试7次，每次的电压-电流曲线比较一致，且具有双向开启特性。在循环测试中，可以达到106以上的疲劳特性，请参阅图6。与掺杂量高的的(Sn0.5Se0.5)0.43Si0.57选通管单元相比，所述选通管单元中增加掺杂材料后，选通管的开启电流增大了10倍，关闭电流也有所降低，开关特性明显增强，且所述选通管单元的重复性能好。
由此可见，本发明通过在SnSe材料中掺入掺杂材料，可以打乱初始的有序结构，使掺杂后的材料保持在非晶态从而提高选通管单元的热稳定性、降低该选通材料制作的选通管单元的漏电流、增强该选通管材料制作的选通管单元的可重复性。
综上所述，本发明提供一种选通管材料及包含选通管材料的选通管单元，所述选通管材料的组分通式为(SnxSe1-x)1-yNy，其中，N为掺杂材料，且0.1≤x≤0.9、0.05≤y≤0.7。本发明的选通管材料选用SnSe材料，该材料用于选通管单元时具有开通电流大、漏电流小、材料简单及无毒性等优点；本发明的选通管材料通过在SnSe材料料中掺入掺杂材料，可以调节和优化该选通材料制作的选通管单元的开通电流、漏电流及疲劳特性等性能。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种选通管材料，其特征在于，所述选通管材料的组分通式为(SnxSe1-x)1-yNy，其中，N为掺杂材料，且0.1≤x≤0.9，0.05≤y≤0.7。
2.根据权利要求1所述的选通管材料，其特征在于：在所述选通管材料的组分通式(SnxSe1-x)1-yNy中，0.1≤x≤0.7，0.2≤y≤0.7。
3.根据权利要求1所述的选通管材料，其特征在于：所述掺杂材料包括Si、C、N、SiO2、SiN、SiO、Si3N4及SiC中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的选通管材料，其特征在于：所述选通管材料包括双向阈值开关型选通材料。
5.根据权利要求1所述的选通管材料，其特征在于：所述选通管材料在电信号的作用下可以实现高阻态到低阻态的转变，并在撤去电信号后回到高阻状态。
6.根据权利要求1所述的选通管材料，其特征在于：所述选通管材料的开/关电流比介于10～108之间。
7.一种选通管单元，其特征在于，所述选通管单元至少包括：
选通管材料层，包括如权利要求1～6任一项所述的选通管材料；
第一电极，位于所述选通管材料层的第一表面；
第二电极，位于所述选通管材料层上与所述第一表面相对的第二表面。
8.根据权利要求7所述的选通管单元，其特征在于：所述选通管材料层的厚度介于3nm～100nm之间。
9.根据权利要求7所述的选通管单元，其特征在于：所述第一电极的材料包括Ti、TiN、Ag、Au、Cu、Al及W中的至少一种；所述第二电极的材料包括Ti、TiN、Ag、Au、Cu、Al及W中的至少一种。
10.根据权利要求7所述的选通管单元，其特征在于：所述选通管单元的开通电流大于或者等于10-4A，所述选通管单元的选通比大于或者等于3，所述选通管单元的漏电流小于或者等于10-7A，所述选通单元的循环次数大于或者等于106。
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