CN113066928B - 一种聚合物选通器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚合物选通器件及其制备方法，属于微纳电子器件技术领域。该聚合物选通器件，包括衬底，衬底之上依次为底电极、存储介质层、顶电极，所述的存储介质层是银离子（Ag+）与缘性聚合物杂化层，并公开了其制备方法。本发明采用的原料易得，成本低廉，制备出的存储器呈现出非线性系数很大的选通特性，具有低开启电压、非线性系数高、误读率低、稳定性高的优点，有效支撑选择器件在聚合物忆阻器当中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及阻变存储器领域，具体地说，涉及一种聚合物选通器件及其制备方法。
背景技术
聚合物忆阻器具有柔性透明、高集成度、高速度、低功耗、可设计性强等优势，受到人们广泛研究。基于crossbar阵列结构的聚合物忆阻器在非易失存储、逻辑计算和神经形态计算等领域具有非常重要的应用前景。然而，crossbar阵列结构中存在的电流串扰问题限制了大规模阵列的实现，是聚合物忆阻器走向实用的主要瓶颈之一。
由于选通器件在小电压下未发生阈值转变，因此呈现出高阻特性，在大电压下表现出低阻特性，配合电压操作策略，可以使crossbar阵列忆阻器未被选中的存储单元都处于高阻状态，减小寄生电流。可编程聚合物选通器件通常由活泼电极和惰性电极间包裹绝缘层构成，当施加正向电压时，活泼电极发生氧化反应形成金属阳离子，金属阳离子在电场力作用下在绝缘层中向惰性电极的方向迁移，并在绝缘层中还原成金属原子，金属原子逐渐堆积形成不稳定的导电细丝通道，这时选通器件从高阻状态转变成低阻状态，发生阈值转变现象，当外部电压撤去时，由于导电细丝不稳定会自发断裂，器件又回到最初的高阻状态。
但是，现有技术中的聚合物选通器件的阈值电压波动明显、工作电流高，无法支撑选通器件在忆阻器交叉阵列中的应用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种聚合物选通器件及其制备方法，该存储器材料易得，成本低廉，制备方法简单，能够有效解决选通器件的阈值电压波动明显、工作电流高的缺点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种聚合物选通器件，包括衬底，衬底之上依次为底电极、存储介质层、顶电极，所述的存储介质层是银离子(Ag+)与缘性聚合物杂化层。
进一步的技术方案，所述的缘性聚合物杂化层溶于溶剂后，旋涂于底电极上，烘干。
进一步的技术方案，所述的绝缘性聚合物杂化层中的材料包括AgNO3、卡拉胶(l-car)。
进一步的技术方案，所述的存储介质层的厚度为100nm。
进一步的技术方案，所述的衬底是硅片衬底，所述的顶电极是Al电极、Ag电极中的一种。
进一步的技术方案，所述的底电极是还原氧化石墨烯电极。
一种聚合物选通器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)底电极的制备：通过高温热还原氧化石墨烯的方法在衬底上制备还原氧化石墨烯膜，或者采用ITO做底电极；
(2)存储介质层的制备：将纯卡拉胶溶于溶剂后并于硝酸银溶液混合，旋涂于底电极上，烘干；
(3)顶电极的制备：用热蒸镀的方法在存储介质层上形成金属Ag电极，即得存储器。
进一步的技术方案，所述的步骤(1)中衬底在使用前需预处理，具体方法是：将衬底依次采用乙醇、异丙醇、水超声10-20min，氮气吹干，用氧气等离子清洗机在10-50W的功率下处理3-8min。
进一步的技术方案，所述的步骤(1)中高温热还原氧化石墨烯的方法是在衬底上旋涂氧化石墨烯溶液，得氧化石墨烯薄膜，然后在氩/氢混合气氛中在600-1200℃的高温下还原0.5-3小时，得还原氧化石墨烯膜。
进一步的技术方案，所述的步骤(2)中旋涂采用旋涂仪，转速为1200-1500rpm。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
1、本发明采用的原料易得，成本低廉，制备出的存储器具有较高的非线性系数，对存储器件具有较高的选择性，误读率低、开关比高、稳定性高。
2、本发明的制备方法简单，底电极是通过高温热还原氧化石墨烯制得，导电性能好并且电导率可控，可实现选择器件ON态电流可控制备；存储介质层的材料为纯绝缘性聚合物，通过全湿法旋涂在底电极上制备存储介质层，整个制备步骤简单。
3、本发明的存储介质层选用纯绝缘性聚合物卡拉胶，本身是无法实现高性能的存储特性，但我们在存储器中通过采用Ag+修饰，由于金属银具有较高的迁移率，在施加电压的过程中，从底电极往上生长银导电细丝，由此实现易失性的选择性能，并在撤去电压时，由于导电细丝不稳定会自发的断裂，呈现易失性的性能。实现存储的过程与现有技术不同，但是制备的存储器质量高，方法简单。
附图说明
图1是本发明的存储器结构示意图。
图2是实施例1中的选通器的电流与电压的关系曲线。
图3是实施例2中的选通器的电流与电压的循环扫描曲线。
图4是实施例3中的选通器电流与电压的关系曲线。
图中标号：1、衬底，2、底电极，3、存储介质层，4、顶电极。
具体实施方式
为了更好地理解本发明专利的内容，下面通过具体实例来进一步说明。但这些实施例并不限制本发明，本领域技术人员根据上述发明的内容做出一些非本质的改进和调整，均属于本发明保护范围。
实施例1
一种聚合物选通器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底处理：将硅片衬底分别采用乙醇，异丙醇，水分别超声10min，氮气吹干，然后用氧气等离子清洗机在50W的功率下处理3min。
(2)底电极的制备：先在硅片衬底上旋涂氧化石墨烯溶液，获得大面积的氧化石墨烯薄膜，然后在氩/氢混合气氛中在800℃的高温下还原2小时，获得还原氧化石墨烯膜。
(3)存储介质层的制备：将绝缘性聚合物掺杂银离子的卡拉胶溶于水溶液中，然后旋涂在底电极上，旋涂仪转速为1500rpm，烘干，存储介质层的厚度约为120nm；
(4)顶电极的制备；通过热蒸镀的方法，在存储介质层上制备金属Ag电极，即得存储器。其结构如图1所示。
对上述存储器通过半导体参数分析仪进行性能测试，可以看出器件为典型的易失性存储器，具有选择性功能，并且都具有高开关比，性能优异，如图2所示的存储器的I-V关系曲线图，当施加正向电压在0-0.5V范围时，器件首先呈现出“高阻态”。当我们继续加大扫描电压时，电流快速上升，表明器件由“高阻态”转变为“低阻态”，该过程即存储器的“写入”过程。在撤去外加电压后，存储器的电流从高导态转变为低导态。这一性能表明该选通器在忆阻器交叉阵列中具有潜在应用价值。
实施例2
一种聚合物选通器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底处理：将硅片衬底分别采用乙醇，异丙醇，水分别超声15min，氮气吹干，然后用氧气等离子清洗机在30W的功率下处理5min。
(2)底电极的制备：先在硅片衬底上旋涂氧化石墨烯溶液，获得大面积的氧化石墨烯薄膜，然后在氩/氢混合气氛中在800℃的高温下还原2小时，获得还原氧化石墨烯膜。
(3)存储介质层的制备：将绝缘性聚合物掺杂银离子的卡拉胶溶于水溶液中，然后旋涂在底电极上，旋涂仪转速为2000rpm，烘干；
(4)顶电极的制备；通过热蒸镀的方法，在存储介质层上制备金属Ag电极，即得存储器。其结构如图1所示。
对上述存储器通过半导体参数分析仪进行性能测试，可以看出器件为典型的易失性存储器，能在较低的电压下完成数据存储，并且都具有高开关比，性能优异，如图2所示的存储器的I-V关系曲线图，当施加正向电压在0-0.5V范围时，器件首先呈现出“高阻态”。当我们继续加大扫描电压时，电流快速上升，表明器件由“高阻态”转变为“低阻态”，该过程即存储器的“写入”过程。在撤去外加电压后，存储器的电流从高导态转变为低导态。这一性能表明该选通器在忆阻器交叉阵列中具有潜在应用价值。
实施例3
一种聚合物选通器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底处理：将硅片衬底分别采用乙醇，异丙醇，水分别超声20min，氮气吹干，然后用氧气等离子清洗机在10W的功率下处理8min。
(2)底电极的制备：先在硅片衬底上旋涂氧化石墨烯溶液，获得大面积的氧化石墨烯薄膜，然后在氩/氢混合气氛中在800℃的高温下还原2小时，获得还原氧化石墨烯膜。
(3)存储介质层的制备：将绝缘性聚合物掺杂银离子的卡拉胶溶于水溶液中，然后旋涂在底电极上，旋涂仪转速为2500rpm，烘干；
对上述存储器通过半导体参数分析仪进行性能测试，可以看出器件为典型的易失性存储器，能在较低的电压下完成数据存储，并且都具有高开关比，性能优异，如图3所示的存储器的I-V关系曲线图，当施加正向电压在0-0.5V范围时，器件首先呈现出“高阻态”。当我们继续加大扫描电压时，电流快速上升，表明器件由“高阻态”转变为“低阻态”，该过程即存储器的“写入”过程。在撤去外加电压后，存储器的电流从高导态转变为低导态。该过程即为器件的易失性存储过程，这一性能表明该选通器在忆阻器交叉阵列中具有潜在应用价值。图4为器件在10-5A限制电流下的I-V曲线，可以看出器件依然保持着较好的选通特性。
Claims (3)
1.一种聚合物选通器件的制备方法， 聚合物选通器件包括衬底，衬底之上依次为底电极、存储介质层、顶电极，所述的存储介质层是银离子与绝缘性聚合物的杂化层，其特征在于： 其制备方法如下包括以下步骤：
（1） 底电极的制备：通过高温热还原氧化石墨烯的方法在衬底上制备还原氧化石墨烯膜；高温热还原氧化石墨烯的方法是在衬底上旋涂氧化石墨烯溶液，得氧化石墨烯薄膜，然后在氩/氢混合气氛中在1000-1200℃的高温下还原0 .5-3小时，得还原氧化石墨烯膜；
（2） 存储介质层的制备：将纯卡拉胶溶于溶剂后并与硝酸银溶液混合，旋涂于底电极上，烘干；
（3） 顶电极的制备：用热蒸镀的方法在存储介质层上形成金属Ag电极，即得存储器。
2.根据权利要求1所述的一种聚合物选通器件的制备方法，其特征在于：所述的步骤（1）中衬底在使用前需预处理，将衬底依次采用乙醇、异丙醇、水超声10-20min，氮气吹干，用氧气等离子清洗机在10-50W的功率下处理3-8min。
3.根据权利要求1所述的一种聚合物选通器件的制备方法，其特征在于，所述的存储介质层的厚度为100 nm。
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