CN113013329B - 一种透明的自选色的异质结忆阻器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透明的自选色的异质结忆阻器及其制备方法，属于集成微电子器件技术领域。异质结忆阻器包括：透明衬底，附着于透明衬底上的透明下电极，附着于透明下电极上的功能层，以及附着于功能层上的透明上电极；功能层由氧化物和ZnS构成，氧化物作为开关介质层，ZnS作为颜色调控层和开关介质层，通过改变ZnS的厚度来实现不同颜色的选择。本发明通过对该忆阻器中关键的功能层组成进行改进，利用ZnS和氧化物的阻变特性，可实现基础忆阻器的基本功能；利用ZnS的厚度可调节器件的颜色选取；同时，由于器件本身材料具有良好的透明特性，因此具有良好的显示特性。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，具体涉及一种透明的自选色的异质结忆阻器及其制备方法。
背景技术
随着信息技术的超高速发展，数据呈指数型增长。存储和处理数据变得越发困难，由于忆阻器具有非易失性，低功耗以及超高速等特性，因此是解决这一难题的有效途径。随着性能的改善和提升，忆阻器不仅仅用在存储方面，已经在模拟神经突触、逻辑运算等方面被证明具有重大的应用前景。
此外，由于透明电子器件在纳米科技应用上具有显著的影响，发展透明集成电路引起了广泛的兴趣，如晶体管，传感器，以及太阳能电池等方面都取得了巨大的进步。虽然存储器作为半导体产品中不可缺少的一环，但是目前的忆阻器还仅仅局限于普通的集成电路中，即非透明性电路，因此研究透明忆阻器对于发展透明集成电路的发展有巨大推进。特别的，发展不同颜色的电子产品是商业化的趋势，因此实现可调控颜色的忆阻器是必要的。
发明内容
针对现有技术存在的问题和改进需求，本发明提供了一种透明的自选色的异质结忆阻器，其目的在于实现忆阻器的颜色可调控。
为了实现上述目的，本发明提供了一种透明的自选色的异质结忆阻器，包括：透明衬底，附着于透明衬底上的透明下电极，附着于透明下电极上的功能层，以及附着于功能层上的透明上电极；功能层由氧化物和ZnS构成，氧化物作为开关介质层，ZnS作为颜色调控层和开关介质层，通过改变ZnS的厚度来实现不同颜色的选择。
其中，由于氧化物和ZnS具有较好的阻变特性，因此该异质结器件具有很好的阻变特性，此外，通过改变ZnS的厚度可以实现不同的颜色显示。
更进一步地，功能层中的氧化物为铝的氧化物或硅的氧化物。其中，功能层厚度为5nm～200nm；功能层中氧化物的厚度为1nm～20nm。
更进一步地，透明衬底可以为玻璃衬底；透明下电极和透明上电极的材料可以为掺锡氧化铟(ITO)或掺铝氧化锌(ZnO:Al)。其中，透明下电极的厚度为50nm～200nm，透明上电极的厚度为50nm～200nm。
本发明还提供了一种制备上述的异质结忆阻器的方法，包括下述步骤：
(1)在透明衬底上制备透明下电极层；
(2)在透明下电极层上依次生长氧化物和ZnS层；
(3)在ZnS层上制备透明上电极层，获得透明的自选色的异质结忆阻器。
更进一步地，氧化物的厚度为1nm～20nm，透明下电极的厚度为50nm～200nm，透明上电极的厚度为50nm～200nm。
更进一步地，氧化物为铝的氧化物或硅的氧化物。
与现有的忆阻器相比较本发明具有两点明显优势：(1)由于该忆阻器结构选用的材料皆是透明的，所以起到了很好的显示作用；(2)依据在白色光入射条件下的光学干涉原理，ZnS材料的厚度不同，人眼观察到的颜色也不一样，从而得到不同的颜色，因此可以通过调控ZnS材料的厚度实现自选色的功能；(3)相比于仅用ZnS作为阻变层的忆阻器件，本发明中ZnS和氧化物构成的异质结作为的阻变开关层，仅通过氧化物就能更好的调控阻变性能，从而实现自选色和忆阻器性能的一个平衡。
本发明公布的忆阻器结构进一步拓展了忆阻器的应用范围，推广到了透明集成电路领域有利于推动忆阻器的发展。
附图说明
图1～图4示出了本发明实施例提供的基于ZnS和Al2O3异质结的存储元器件的忆阻器单元的制备过程示意图；
图5示出了本发明实施例提供的基于ZnS和Al2O3异质结的存储元器件的忆阻器呈现不同颜色的原理示意图。
其中，1表示透明玻璃衬底，2表示下电极，3表示氧化物，4表示ZnS，5表示上电极。
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。
本发明提供了一种基于ZnS和金属氧化物构成的异质结的存储元器件的制备方法和应用；该存储单元可进一步拓展忆阻器在显示器件里的应用。
因为氧化物具有很好的绝缘特性、性质稳定且制备简单，常用于忆阻器功能层材料，但是传统忆阻器很少用于显示这一功能区域。ZnS作为一种常见的半导体材料，在显示器件里得到了很好的应用，根据光学原理，控制ZnS的厚度变化，可以实现不同的颜色。结合氧化物的阻变特性和ZnS的显示特性，将氧化物和ZnS构建成异质结，这样不仅可以实现传统忆阻器的基本功能，而且可以根据ZnS的厚度实现不同颜色的调节，起到一个自选色的功能。
本发明提供了一种基于氧化物和ZnS的双层忆阻器存储器单元结构；利用ZnS和氧化物的阻变特性，可实现忆阻器的基本功能；利用ZnS的厚度调节器件的颜色选取；同时，由于器件本身材料具有良好的透明特性，因此具有良好的显示特性。
其中，该结构选用类电容式结构，即下电极-开关介质层-上电极。
在本发明实施例中，为了实现忆阻器透明的功能，其基本组成部分：功能层、衬底、电极材料皆必须满足透明的特性。
其中，功能层选用氧化物和ZnS，其中ZnS既作为颜色调控层，又作为开关介质层，而氧化物主要用作开关介质层。更进一步优选地，氧化物为铝的氧化物或硅的氧化物。
衬底可以选用透明的玻璃衬底，能在上面实现常规的器件工艺。
电极可以选用透明的电极材料，可为掺锡氧化铟(ITO)，掺铝氧化锌(ZnO:Al)，这两种电极材料导电效果好，且不影响ZnS的调控。
进一步优选地，功能层厚度可以为5nm～200nm，功能层太薄会导致忆阻器的电学特性变差，太厚不利于ZnS调控忆阻器的颜色。异质结中的氧化物厚度满足1nm～20nm，能实现的忆阻器基本功能，厚度过大会导致透明效果变差。
其中，上电极和下电极的厚度为50nm～200nm，电极厚度太薄容易导致电极被扎穿，太厚则影响显示效果。
本发明还提供了一种制备透明的自选色的双层忆阻器的工艺方法，包括以下步骤：
(1)在衬底上制备下电极；
(2)制备功能层；利用原子层沉积法、磁控溅射法、原子层沉积法、分子束外延法、脉冲激光沉积法、热蒸发法或电化学生长方法生长所述氧化物和ZnS层；
(3)在所述功能层上制备上电极，得到透明的自选色异质结忆阻器。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的透明的自选色的异质结忆阻器及其制备方法，现结合具体实例详述如下：
实施例1
本发明实施例中制备的忆阻器单元结构选用常见的类电容式结构，衬底选用透明的玻璃，电解质采用Al2O3和ZnS，其中ZnS不仅作为阻变层，还作为调节颜色的控制层，上、下电极选用ITO。具体实施方法如下：
(1)选取透明的玻璃作为衬底，即层1，置入丙酮中，并利用超声清洗十分钟，然后置入无水乙醇中溶解玻璃上的丙酮，最后使用去离子水冲洗酒精，并用氮气枪吹干。
(2)在洗净的玻璃衬底上通过磁控溅射的方法生长层2，即下电极ITO，采用射频溅射，氩气氛围为0.5Pa,功率为200W，Ar气氛围为0.5Pa，溅射1000s。
(3)将生长下电极的样片放置在丙酮中浸泡，在超声环境下清洗10-15分钟，然后再放置在无水乙醇中浸泡，并用超声清洗5分钟，最后用去离子水清洗，其中超声功率皆为40W。
(4)通过光刻工艺在下电极上制备需要的图形，其中光刻工艺步骤分别为：匀胶、前烘、前曝、后烘、后爆、显影。
(5)在步骤(4)的样片上生长层3，即氧化物层，这里选取的是Al2O3，采用磁控溅射生长3nm，采用射频溅射，Ar气氛围为0.5Pa。
(6)在步骤(5)的样片上继续生长层4，即ZnS层，方法选用磁控溅射，生长5nm,采用射频溅射，Ar气氛围为0.5Pa。
(7)将步骤(6)所制备出的薄膜样品放在丙酮中浸泡30-50分钟，再用无水乙醇和去离子水清洗，用氮气干燥样品。
(8)使用同步骤(4)中的光刻工艺，在得到的功能层样品上制备正方形的光刻图形。
(9)用磁控溅射生长上电极5，采用射频溅射的方法溅射ITO电极，功率为200W，Ar气氛围为0.5Pa，溅射1000s。
(10)将步骤(9)所制备出的薄膜样品放在丙酮中浸泡30-50分钟，再用无水乙醇和去离子水清洗，用氮气干燥样品。
如图5所示，是基于ZnS和Al2O3异质结的存储元器件的忆阻器单元呈现不同颜色的简要原理示意图：
图5为自然光从空气介质入射至ZnS薄膜的光路图，光束为自然白光时，其波长在390nm至780nm区间分布，从空气介质入射至ZnS薄膜时，会出现如图两次界面反射，第一次反射出现在空气与ZnS薄膜的界面处，第二次反射出现在ZnS与Al2O3的界面处，两次反射过程中，自然光中相同频率的光存在相同光程差，符合光的相干条件，因此相同频率的光会产生光的相干作用。在自然光正入射的情况下，由相干性原理：
2d1＝(m+1/2)λ/n (1)
2d1＝mλ/n (2)
其中d1是ZnS层的厚度，λ是入射光的波长，n是ZnS的折射率，m是整数(0，±1，±2，±3，……)。当入射光波长满足式(1)时，设该波长λ1，第一次反射光和第二次反射光发生相消干涉，波长λ1对应颜色的光振幅为0，不会被观察到；当入射光波长满足式(2)时，设该波长λ2，第一次反射光和第二次反射光发生相长干涉，波长为λ2对应颜色的光振幅为原先的两倍，更容易被观察到；所以此时，经过两次界面反射，人眼看到的器件颜色为波长λ2对应颜色的光。因此，在自然光下，不同厚度ZnS层的器件可以显示出不同的颜色，通过改变ZnS层的厚度就可以改变器件的颜色。
在下电极层2和上电极层5上施加电信号，由于Al2O3和ZnS都是忆阻器的良好介质材料，所以可实现忆阻特性。与传统的忆阻器相比，一方面，该忆阻器由于利用的材料皆为透明材料，所以可用于显示领域；另一方面，调控ZnS的厚度，根据光学干涉原理，使得在白光入射下人眼可以观察到不同的颜色，起到自选色的功能。此外，相比于仅用ZnS作为阻变层的忆阻器，本发明中ZnS和氧化物构成的异质结作为阻变开关层仅通过氧化物就能更好的调控阻变性能，从而实现自选色和忆阻器性能的平衡。因此，基于该透明的自选色异质结忆阻器可以将忆阻器的应用拓展至电子显示领域。
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 (9)
1.一种透明的自选色的异质结忆阻器，其特征在于，包括：透明衬底，附着于所述透明衬底上的透明下电极，附着于所述透明下电极上的功能层，以及附着于所述功能层上的透明上电极；
所述功能层由氧化物和ZnS构成，所述氧化物作为开关介质层，所述ZnS作为颜色调控层和开关介质层，通过改变ZnS的厚度来实现不同颜色的选择；
所述功能层中的所述氧化物为铝的氧化物或硅的氧化物。
2.如权利要求1所述的异质结忆阻器，其特征在于，所述功能层厚度为5nm～200nm。
3.如权利要求2所述的异质结忆阻器，其特征在于，所述功能层中所述氧化物的厚度为1nm～20nm。
4.如权利要求1-3任一项所述的异质结忆阻器，其特征在于，所述透明衬底为玻璃衬底。
5.如权利要求1-3任一项所述的异质结忆阻器，其特征在于，所述透明下电极和所述透明上电极的材料为掺锡氧化铟(ITO)或掺铝氧化锌(ZnO:Al)。
6.如权利要求1-3任一项所述的异质结忆阻器，其特征在于，所述透明下电极的厚度为50nm～200nm，所述透明上电极的厚度为50nm～200nm。
7.一种制备权利要求1-6任一项所述的异质结忆阻器的方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)在透明衬底上制备透明下电极层；
(2)在所述透明下电极层上依次生长氧化物和ZnS层；
(3)在所述ZnS层上制备透明上电极层，获得透明的自选色的异质结忆阻器。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述氧化物的厚度为1nm～20nm，所述透明下电极的厚度为50nm～200nm，所述透明上电极的厚度为50nm～200nm。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述氧化物为铝的氧化物或硅的氧化物。
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