CN113745004A - 具有记忆功能的多值电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有记忆功能的多值电容器，包括第一电极、第二电极、相变层、第一多值调控组件和第二多值调控组件，第一多值调控组件包括第三电极和第一调控导体，第二多值调控组件包括第四电极和第二调控导体，第一调控导体和第二调控导体构建多个点位，点位对特定区域进行相变调控，通过控制相变区域面积的大小，获得连续可调的等效介电常数，实现对电容值的记忆以及多个电容值的非易失连续可调。本发明一种具有记忆功能的多值电容器，通过点位对相变层上特定区域进行相变调控，实现不同点位的热致相变或者电致相变，通过控制相变区域面积的大小，获得连续可调的相变层等效介电常数，实现电容器对电容值的记忆以及电容值的非易失连续可调。
Description
技术领域
本发明是关于一种电容器，特别是关于一种具有记忆功能的多值电容器。
背景技术
电容器被广泛应用于微电子行业，可调电容器用途也比较广泛，传统的机械式可调电容器的体积大、不易集成，应用受限。集成式的可调电容器大多是易失的，撤掉外加物理刺激信号，电容值会回到初始状态，不具有记忆功能，不利于降低功耗。传统的非易失电容器一般只具有两个电容值或者少数几个电容值，这受限于相变材料不同相的个数。如果能够实现集成式非易失多值电容器，或者是电容值根据需要连续非易失可调，将在高密度存储、人工智能以及比较前沿的感存算一体智能领域具有巨大的应用前景。然而，现阶段还未有相关技术出现。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有记忆功能的多值电容器，其具有多个可记忆且非易失可调的电容值。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种具有记忆功能的多值电容器，包括：第一电极、第二电极以及位于第一电极和第二电极之间的功能层，所述功能层包括相变层、第一多值调控组件和第二多值调控组件，所述第一多值调控组件包括多个第三电极以及多个第一调控导件，所述第一调控导件与第三电极对应连接，所述第二多值调控组件包括多个第四电极以及多个第二调控导件，所述第二调控导件与第四电极对应连接，所述第一调控导件和第二调控导件呈交叉阵列分布，所述第一调控导件和第二调控导件之间构建有多个呈阵列分布的点位，每个所述点位对应于相变层上的一个特定区域，通过选择一个或多个所述点位对相变层上对应的一个或多个特定区域进行相变调控，对目标点位进行相变调控的方式是在构成目标点位的第一调控导件和第二调控导件对应的第三电极和第四电极上施加偏压，实现不同点位的热致相变或者电致相变，使得所述相变层部分面积的相变材料在晶体状态和非晶体状态之间转变，通过控制相变层发生相变区域面积的大小从而获得连续可调的相变层等效电容值，最终实现多值电容器对电容值的记忆以及多个电容值的非易失连续可调。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一调控导件和第二调控导件均由碳纳米管制成，所述第一调控导件和第二调控导件相互接触设置。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述碳纳米管的宽度为100nm-10um，厚度为1nm-10nm。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一调控导件和第二调控导件均由石墨烯条制成，所述第一调控导件和第二调控导件分别位于相变层的上下表面。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述石墨烯条的宽度为100nm-10um，所述石墨烯条设置有1层-10层。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述相变层由硫系化合物制成。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述硫系化合物包括Ge2Sb2Te2。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述相变层的厚度为10～1000nm。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述功能层与第一电极之间具有第一绝缘层，所述功能层与第二电极之间具有第二绝缘层。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述电容值个数与所述第一调控导体和所述第二调控导体构建的点位个数成正比。
与现有技术相比，根据本发明实施方式的一种具有记忆功能的多值电容器，通过使得第一调控导件和第二调控导件之间形成的一个或多个点位对相变层上对应的一个或多个特定区域进行相变调控，对目标点位进行相变调控的方式是在构成目标点位的第一调控导件和第二调控导件对应的第三电极和第四电极上施加偏压，实现不同点位的热致相变或者电致相变，使得所述相变层部分面积的相变材料在晶体状态和非晶体状态之间转变，通过控制相变层发生相变区域面积的大小从而获得连续可调的相变层等效介电常数，最终实现多值电容器对电容值的记忆以及多个电容值的非易失连续可调。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的一种具有记忆功能的多值电容器的结构示意图；
图2是根据本发明一实施方式的复合层的结构示意图；
图3是根据本发明一实施方式的功能层的俯视图；
图4是根据本发明另一实施方式的功能层的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，根据本发明优选实施方式的一种具有记忆功能的多值电容器，包括：衬底1以及依次设置在衬底1上的第一电极2、复合层3和第二电极4。一实施方式中，衬底1可以采用氧化硅片等刚性材料制成或者采用柔性的柔性聚合物(PDMS)等材料制成。第一电极2和第二电极4均由复合材料制成，第一电极2和第二电极4均包括一层第一金属层和一层第二金属层。第一金属层由钛材料制成，第二金属层由金材料制成。第一金属层的厚度为10～50nm，第二金属层的厚度为20～200nm。
如图2所示，复合层3包括依次设置的第一绝缘层31、功能层32和第二绝缘层33。第一绝缘层31和第二绝缘层33均可以采用氧化硅、氧化铝或者柔性聚合物(PDMS)等材料制成。第一绝缘层31和第二绝缘层33厚度均为10～1000nm。第一绝缘层31和第二绝缘层33用于使功能层32与第一电极2和第二电极4之间绝缘。
如图3所示，功能层32包括相变层321、第一多值调控组件322和第二多值调控组件323。
其中，第一多值调控组件322包括多个第三电极3221以及多个第一调控导件3222，第一调控导件3222与第三电极3221对应连接。第二多值调控组件323包括多个第四电极3231以及多个第二调控导件3232，第二调控导件3232与第四电极3231对应连接。
一实施方式中，第一调控导件3222和第二调控导件3232均呈条状。第一调控导件3222和第二调控导件3232呈交叉阵列分布，第一调控导件3222和第二调控导件3232之间构建有多个呈阵列分布的点位。每个点位对应于相变层321上的一个特定微小区域，通过选择一个或多个点位对相变层上对应的一个或多个特定区域进行相变调控，对目标点位进行相变调控的方式是在构成目标点位的第一调控导件3222和第二调控导件3232对应的第三电极3221和第四电极3231上施加偏压，通过以上方式可实现不同目标点位的热致相变或者电致相变，使得相变层部分面积的相变材料在晶体状态和非晶体状态之间转变，通过控制相变层发生相变区域面积的大小从而获得连续可调的相变层等效介电常数，最终实现多值电容器对电容值的记忆以及多个电容值的非易失连续可调。
例如，在图3中给出了呈阵列交叉分布的五根第一调控导件3222和五根第二调控导件3232，形成了二十五个呈阵列分布的点位。如选择对中间的一根第一调控导件3222对应的第三电极3221和中间的一根第二调控导件3232对应的第四电极3231施加电压，从而使得中间的一根第一调控导件3222和中间的一根第二调控导件3232交叉处的点位产生热量，也能相当于确定了该点位的坐标，实现该点位对应的相变层的热致相变，使得该点位对应的特定区域处的相变层在晶体状态和非晶体状态之间转变，从而获得该特定微小区域处的相变层的介电常数，即可获得一个电容值。如果选择对几根第一调控导件3222对应的各第三电极3221和几根第二调控导件3232对应的各第四电极3231施加电压，可以获得多个交叉的点位，多个点位产生热量使得对应的相变层发生热致相变。当点位数量不同时，相变区域面积的大小也不同，从而获得不同的相变层等效介电常数，即可以获得多个电容值。
当然在其他实施例中，第一调控导件3222和五根第二调控导件3232不局限于五个，可以设置有非常多个。对应的点位也具有非常多个。电容值个数与第一调控导体3222和第二调控导体3232构建的点位个数成正比。n个点位，相变面积为0/n、1/n、......n/n。电容值一共为n加1个值。
一实施方式中，第一调控导件3222和第二调控导件3232均由碳纳米管制成。碳纳米管的宽度为100nm-10um，厚度为1nm-10nm。第一调控导件3222和第二调控导件3232相互接触设置。第一调控导件3222均沿第一方向设置，第二调控导件3232均沿第二方向设置，第一方向和第二方向相互垂直。多个第三电极3221沿第一方向设置。多个第四电极3231沿第二方向设置。第一方向为x轴方向，第二方向为y轴方向。
相变层321可以由硫系化合物制成。硫系化合物可以是Ge-Sb-Te、Sb-Te或Ge-Te体系，Ge-Sb-Te体系可以是Ge2Sb2Te2、Ge2Sb2Te5、Ge1Sb4Te7或Ge1Sb2Te4。Sb-Te体系可以是Sb2-Te3。
一实施方式中，相变层321的厚度为10～1000nm。
相变层321在非晶态时为半导体性质，介电常数较大。在晶态时表现为半金属性质，介电常数较低。相变层321从亚稳态的非晶体状态转变为稳定的晶体状态是通过在相变层321结晶温度以上对其加热足够长的时间。反之，可通过加热晶体状态的相变层321至熔点以上而熔化并快速退火冷却凝结而得到非晶体状态的相变层321。
一实施方式中，将电压信号施加到第四电极3231上，将第三电极3221接地。碳纳米管制成第一调控导件3222和第二调控导件3232在沿着轴向方向的导电性很好。第一调控导件3222和第二调控导件3232相互接触的交叉位置处的导电性则较差。因为第一调控导件3222和第二调控导件3232相互接触的交叉位置(即点位)处的电阻较大，所以产生较多的热量，使第一调控导件3222和第二调控导件3232相互接触的交叉位置附近的相变层321产生相变，改变其介电常数，从而改变电容值。
根据需要可以选择性的将电压信号施加到指定的一个或多个第四电极3231上，以及将指定的一个或多个第三电极3221接地，从而可确定具体产生热量的一个或多个交叉位置所在的位置，该位置可通过坐标系进行确定，从而也可以确定交叉位置对应的相变层321上的相变区域的位置，最终通过改变产生热量的交叉位置的数量以及位置从而使对应的相变层321的区域产生相变来获得不同的电容值。通过控制电压信号的电脉冲强度和持续时间，实现相变层321在晶体状态和非晶体状态之间的非易失转变，实现具有记忆功能的电容器。
在其他实施方式中，如图4所示，第一调控导件3222和第二调控导件3232均由石墨烯制成，第一多值调控组件322和第二多值调控组件323分别位于相变层321的上下表面。第一调控导件3222和第二调控导件3232呈条状。通过第一调控导件3222和第二调控导件3232的交叉位置之间形成的电场，电场穿过相变层321，使得相变层321因吸收热量而导致其温度升高，从而产生电致相变，进而改变电容值。
在其他实施方式中，还公开了一种具有记忆功能的多值电容器的制备方法，包括：
S1、准备一衬底。
S2、在衬底上制作第一电极2。
S3、在第一电极2上沉积第一绝缘层31。
S4、在第一绝缘层31上制作功能层32。
其中，“制作功能层32”包括：沉积相变层321以及在相变层321表面制作第一多值调控组件322和第二多值调控组件323。
“在相变层321表面制作第一多值调控组件322”包括：制作多个第三电极3221；制作与对应的第三电极3221连接的第一调控导件3222。
“在相变层321表面制作第二多值调控组件323”包括：制作多个第四电极3231；制作与对应的第四电极3231连接且与第一调控导件3222呈交叉分布的第二调控导件3232。
S5、在功能层32上沉积第二绝缘层33。
S6、在第二绝缘层33上制作第二电极4。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (10)
1.一种具有记忆功能的多值电容器，其特征在于，包括：第一电极、第二电极以及位于第一电极和第二电极之间的功能层，所述功能层包括相变层、第一多值调控组件和第二多值调控组件，所述第一多值调控组件包括多个第三电极以及多个第一调控导体，所述第一调控导体与第三电极对应连接，所述第二多值调控组件包括多个第四电极以及多个第二调控导体，所述第二调控导体与第四电极对应连接，所述第一调控导体和第二调控导体呈交叉阵列分布，所述第一调控导体和第二调控导体之间构建有多个呈阵列分布的点位，每个所述点位对应于相变层上的一个特定区域，通过选择一个或多个所述点位对相变层上对应的一个或多个特定区域进行相变调控，对目标点位进行相变调控的方式是在构成目标点位的第一调控导件和第二调控导件对应的第三电极和第四电极上施加偏压，实现不同点位的热致相变或者电致相变，使得所述相变层部分面积的相变材料在晶体状态和非晶体状态之间转变，通过控制相变层发生相变区域面积的大小从而获得连续可调的相变层等效介电常数，最终实现多值电容器对电容值的记忆以及多个电容值的非易失连续可调。
2.如权利要求1所述的具有记忆功能的多值电容器，其特征在于，所述第一调控导体和第二调控导体均由碳纳米管制成，所述第一调控导体和第二调控导体相互接触设置。
3.如权利要求2所述的具有记忆功能的多值电容器，其特征在于，所述碳纳米管的宽度为100nm-10um，厚度为1nm-10nm。
4.如权利要求1所述的具有记忆功能的多值电容器，其特征在于，所述第一调控导体和第二调控导体均由石墨烯条制成，所述第一调控导体和第二调控导体分别位于相变层的上下表面。
5.如权利要求4所述的具有记忆功能的多值电容器，其特征在于，所述石墨烯条的宽度为100nm-10um，所述石墨烯条设置有1层-10层。
6.如权利要求1所述的具有记忆功能的多值电容器，其特征在于，所述相变层由硫系化合物制成。
7.如权利要求6所述的具有记忆功能的多值电容器，其特征在于，所述硫系化合物包括Ge2Sb2Te2。
8.如权利要求1所述的具有记忆功能的多值电容器，其特征在于，所述相变层的厚度为10～1000nm。
9.如权利要求1所述的具有记忆功能的多值电容器，其特征在于，所述功能层与第一电极之间具有第一绝缘层，所述功能层与第二电极之间具有第二绝缘层。
10.如权利要求1所述的具有记忆功能的多值电容器，其特征在于，所述电容值个数与所述第一调控导体和所述第二调控导体构建的点位个数成正比。
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