CN113809232A - 物理瞬态阈值开关器件及其制备方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种物理瞬态阈值开关器件及其制备方法和装置，使用惰性金属材料，在衬底上制备底电极，将聚乙烯醇溶液滴在所述底电极上，以使聚乙烯醇溶液覆盖所述底电极的面积大于所述底电极表面积的一半，使用旋涂机进行旋涂，以使聚乙烯醇溶液分散于所述底电极表面，得到阻变功能层，使用活性金属材料，在所述阻变功能层上制备顶电极，得到物理瞬态阈值开关器件。该方法绿色环保，且适用于大面积旋涂，制备过程较为简洁，有助于大面积、高质量的物理瞬态阈值开关器件的制备。另外，物理瞬态阈值开关器件可以在溶液环境中实现触发式自销毁，保障了数据的安全存储。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及物理瞬态阈值开关器件及其制备方法和装置。
背景技术
在新兴的存储器中，阻变存储器(Resistive Random Access Memory,RRAM)有着简单的器件结构、简洁的制备工艺、较低的功耗以及理想的可扩展性，已然在大容量存储、神经计算以及逻辑功能构建等方面展现了重要潜能。当前，为了发挥两端RRAM器件的高密度集成优势，通常采用十字交叉型器件结构展开RRAM的集成应用。然而，在RRAM的高密度十字交叉阵列中却广泛存在着一类由泄漏电流所引发的串扰问题，不仅增大了体系的实际功耗，还会造成阻态的误读问题，给RRAM阵列的可靠应用带来了诸多隐患。
为了解决泄漏电流所产生的串扰问题，制备选通器件并与RRAM进行串联集成是当前普遍使用的解决方法。这类选通器件包括有：场效应晶体管、二极管以及选择器。Maheswari Sivan等人基于WSe2分别制备了晶体管与RRAM器件，并完成了串联集成，形成了1T1R(One Transistor one RRAM)型器件结构，为3D单片式嵌入存储的构建寻求了解决思路，参见M.Sivan,Y.Li,H.Veluri,Y.Zhao,B.Tang,X.Wang,Evgeny Zamburg,Jin FengLeong,Jessie Xuhua Niu,Umesh Chand&Aaron Voon-Yew TheanAll WSe2 1T1Rresistive RAM Cell for Future Monolithic 3D Embedded MemoryIntegration.Nature Communications,10,5201,2019，这种方案中晶体管极大地遏制了泄漏电流的流通，但晶体管为三端器件，导致忆阻器无法充分发挥其集成度优势；Dong KyuLee等人基于Ta2O5制备了单极型RRAM器件并与制备的二极管进行了串联，形成了1D1R(OneDiode one RRAM)型器件结构，参见D.K.Lee,G.H.Kim,H.Sohn,Min Kyu Yang,Positiveeffects of a Schottky-type diode on unidirectional resistive switchingdevices,Applied Physics Letters,115(26),263502,2019这种方案能够在抑制反向电流的同时极大地发挥两端器件的集成度优势，但受制于二极管的单向导电性，1D1R仅仅普适于单极型的阻变器件；Rivu Midya等人基于HfOx构建了双向阈值开关选择器，参见Midya,Z.Wang,J.Zhang,S.Savel’ev,C.Li,M.Rao,M.Jang,S.Joshi,H.Jiang,P.Lin,K.Norris,N.Ge,Q.Wu,M.Barnell,Z.Li,H.Xin,R.Williams,Q.Xia,J.Yang.Anatomy of Ag/Hafnia-based Selectors with 1010Nonlinearity,Advanced Materials,29,1604457,2017这种方案发挥了RRAM的高集成度优势，并且同时适用于单极型和双极型RRAM器件的目标路径选通。
然而，海量数据的安全存储仍然是广泛存在并亟待解决的重要技术难题，如何赋予存储器以安全防御功能仍需得到进一步考量。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种物理瞬态阈值开关器件及其制备方法和装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供一种物理瞬态阈值开关器件的制备方法，包括：
使用惰性金属材料，在衬底上制备底电极；
将聚乙烯醇溶液滴在所述底电极上，以使聚乙烯醇溶液覆盖所述底电极的面积大于所述底电极表面积的一半；
使用旋涂机进行旋涂，以使聚乙烯醇溶液分散于所述底电极表面，得到阻变功能层；
使用活性金属材料，在所述阻变功能层上制备顶电极，得到物理瞬态阈值开关器件。
可选的，所述将聚乙烯醇溶液滴在所述底电极上，以使聚乙烯醇溶液覆盖所述底电极的面积大于所述底电极表面积的一半之前，还包括：
将分子量为13000～23000，87％～89％水解的聚乙烯醇粉末，以10wt％的质量比与去离子水混合，得到混合溶液；
在60～80摄氏度下，对所述混合溶液进行磁力搅拌24～36小时，得到聚乙烯醇溶液。
可选的，所述使用旋涂机进行旋涂，以使聚乙烯醇溶液分散于所述底电极表面，得到阻变功能层，包括：
将旋涂机的旋涂转速设为450～500rpm，旋涂8～10s；将所述旋涂机的转速调整到2000～2200rpm，旋涂40～50s，以使聚乙烯醇溶液分散于所述底电极表面，并在氮气柜中静置36～48小时，使其自然晾干，得到阻变功能层。
可选的，所述使用惰性金属材料，在衬底上制备底电极之前，还包括：
对初始衬底进行清洗，得到清洗完成的衬底；
分别使用丙酮，异丙醇对所述清洗完成的衬底进行超声处理；
用去离子水冲洗，使用氮气枪吹干，得到衬底。
可选的，所述使用惰性金属材料，在衬底上制备底电极，包括：
采用磁控溅射，在所述衬底上制备80～100纳米厚的惰性金属材料。
可选的，所述使用惰性金属材料，在衬底上制备底电极之后，还包括：
使用胶带粘附在所述底电极的边缘区域。
可选的，所述使用活性金属材料，在所述阻变功能层上制备顶电极，得到物理瞬态阈值开关器件，包括：
将物理掩膜版固定在所述阻变功能层上，其中，所述物理掩模版是孔径为10～100微米、孔间距为200～500微米的方形或者圆形孔阵列；
采用磁控溅射，使用活性金属，在所述阻变功能层上制备80～100纳米厚的顶电极；
去掉遮盖底电极的胶带，得到物理瞬态阈值开关器件。
可选的，所述方法还包括：
使用半导体电学参数分析仪，测试所述物理瞬态阈值开关器件的阈值转换特性，统计阈值电压的分布情况。
第二方面，本发明提供一种物理瞬态阈值开关器件的制备装置，包括：
底电极制备模块，用于使用惰性金属材料，在衬底上制备底电极；
阻变功能层制备模块，用于将聚乙烯醇溶液滴在所述底电极上，以使聚乙烯醇溶液覆盖所述底电极的面积大于所述底电极表面积的一半；使用旋涂机进行旋涂，以使聚乙烯醇溶液分散于所述底电极表面，得到阻变功能层；
顶电极制备模块，用于使用活性金属材料，在所述阻变功能层上制备顶电极，得到物理瞬态阈值开关器件。
可选的，所述装置还包括：
聚乙烯醇溶液获取模块，用于将分子量为13000～23000，87％～89％水解的聚乙烯醇粉末，以10wt％的质量比与去离子水混合，得到混合溶液；在60～80摄氏度下，对所述混合溶液进行磁力搅拌24～36小时，得到聚乙烯醇溶液。
可选的，所述阻变功能层制备模块具体用于：
将旋涂机的旋涂转速设为450～500rpm，旋涂8～10s；将所述旋涂机的转速调整到2000～2200rpm，旋涂40～50s，以使聚乙烯醇溶液分散于所述底电极表面，并在氮气柜中静置36～48小时，使其自然晾干，得到阻变功能层。
可选的，所述装置还包括：
衬底制备模块，用于对初始衬底进行清洗，得到清洗完成的衬底；分别使用丙酮，异丙醇对所述清洗完成的衬底进行超声处理；用去离子水冲洗，使用氮气枪吹干，得到衬底。
可选的，所述底电极制备模块具体用于：
采用磁控溅射，在所述衬底上制备80～100纳米厚的惰性金属材料。
可选的，所述装置还包括：
底电极保护模块，用于使用胶带粘附在所述底电极的边缘区域。
可选的，所述顶电极制备模块具体用于：
将物理掩膜版固定在所述阻变功能层上，其中，所述物理掩模版是孔径为10～100微米、孔间距为200～500微米的方形或者圆形孔阵列；采用磁控溅射，使用活性金属，在所述阻变功能层上制备80～100纳米厚的顶电极；去掉遮盖底电极的胶带，得到物理瞬态阈值开关器件。
可选的，所述装置还包括：
电学特性分析模块，用于使用半导体电学参数分析仪，测试所述物理瞬态阈值开关器件的阈值转换特性，统计阈值电压的分布情况。
第三方面，本发明提供一种物理瞬态阈值开关器件，所述物理瞬态阈值开关器件通过如上述第一方面所述的方法步骤制备得到。
本发明的有益效果：
物理瞬态阈值开关器件的阻变功能层为聚乙烯醇有机薄膜，绿色可降解，且适用于大面积旋涂，制备过程较为简洁，采用物理掩膜法进行了器件的图形化制备，使得该工艺进行过程不涉及任何溶液处理过程，有助于大面积、高质量的物理瞬态阈值开关器件的制备。另外，物理瞬态阈值开关器件的阻变功能层为聚乙烯醇有机薄膜，聚乙烯醇有机薄膜具有水解特性，因此，物理瞬态阈值开关器件可以在溶液环境中实现触发式自销毁，赋予器件在紧急状态下的应变能力，保障了数据的安全存储。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种物理瞬态阈值开关器件的制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种物理瞬态阈值开关器件的制备方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种物理瞬态阈值开关器件的制备装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种物理瞬态阈值开关器件的制备方法的流程示意图，如图1所示，本实施例的方法由物理瞬态阈值开关器件的制备设备执行。本实施例提供的方法包括如下步骤：
S102、使用惰性金属材料，在衬底上制备底电极。
其中，衬底可以是硅(Si)基衬底，也可以是二氧化硅(SiO2)衬底，也可以为其他材料的衬底，对此本发明不做限定。
其中，惰性金属可以包括但不限于如下金属：钨(W)或者钼(Mo)。
可选的，可以采用磁控溅射，在衬底上制备80～100纳米厚的惰性金属材料。
S104、将聚乙烯醇溶液滴在底电极上，以使聚乙烯醇溶液覆盖底电极的面积大于底电极表面积的一半。
其中，首先需要获取聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol，简称PVA)溶液。
S106、使用旋涂机进行旋涂，以使聚乙烯醇溶液分散于底电极表面，得到阻变功能层。
可选在，使用旋涂机进行旋涂，以使聚乙烯醇溶液分散于底电极表面之后，还需要将样片在氮气柜中自然晾干，得到阻变功能层。
S108、使用活性金属材料，在阻变功能层上制备顶电极，得到物理瞬态阈值开关器件。
其中，活性金属可以包括但不限于如下金属：银(Ag)或者铜(Cu)。
本实施例中，在物理瞬态阈值开关器件的制备过程中，使用惰性金属材料，在衬底上制备底电极。将聚乙烯醇溶液滴在底电极上，以使聚乙烯醇溶液覆盖底电极的面积大于底电极表面积的一半，使用旋涂机进行旋涂，以使聚乙烯醇溶液分散于底电极表面，从而得到阻变功能层，至此，通过聚乙烯醇制备完成物理瞬态阈值开关器件的阻变功能层。使用活性金属材料，在阻变功能层上制备顶电极。从而制备得到物理瞬态阈值开关器件。
本实施例，物理瞬态阈值开关器件的阻变功能层为聚乙烯醇有机薄膜，绿色可降解，且适用于大面积旋涂，制备过程较为简洁，采用物理掩膜法进行了器件的图形化制备，使得该工艺进行过程不涉及任何溶液处理过程，有助于大面积、高质量的物理瞬态阈值开关器件的制备。另外，物理瞬态阈值开关器件的阻变功能层为聚乙烯醇有机薄膜，聚乙烯醇有机薄膜具有水解特性，因此，物理瞬态阈值开关器件可以在溶液环境中实现触发式自销毁，赋予器件在紧急状态下的应变能力，保障了数据的安全存储。
在一些实施例中，由于旋涂机转速的设置将影响聚乙烯醇的厚度，也就是阻变功能层的厚度，进而影响物理瞬态阈值开关器件的性能，因此，在制备过程中，需要控制旋涂机的转速。下面以具体的实施例进行详细说明。在上述实施例的基础上，进一步地，执行S106可以通过如下步骤实现：
S1061、将旋涂机的旋涂转速设为450～500rpm，旋涂8～10s；将所述旋涂机的转速调整到2000～2200rpm，旋涂40～50s，以使聚乙烯醇溶液分散于所述底电极表面，并在氮气柜中静置36～48小时，使其自然晾干，得到阻变功能层。
本实施例，通过将旋涂机的旋涂转速设为450～500rpm，旋涂8～10s；将所述旋涂机的转速调整到2000～2200rpm，旋涂40～50s，从而可以使得聚乙烯醇溶液均匀的分散于底电极表面，通过将旋涂聚乙烯醇溶液后的样片放置在氮气柜中自然晾干得到阻变功能层，该阻变功能层厚度均匀，保证物理瞬态阈值开关器件的性能。在上述实施例的基础上，进一步地，在执行S104之前，还可以执行如下步骤：
S1031、将分子量为13000～23000，87％～89％水解的聚乙烯醇粉末，以10wt％的质量比与去离子水混合，得到混合溶液。
S1032、在60～80摄氏度下，对混合溶液进行磁力搅拌24～36小时，得到聚乙烯醇溶液。
在上述实施例的基础上，进一步地，在执行S102之前，还可以执行如下步骤：
S101、获取衬底。
可选的，S101可以通过如下步骤实现：
S1011、对初始衬底进行清洗，得到清洗完成的衬底。
S1012、分别使用丙酮，异丙醇对清洗完成的衬底进行超声处理。
S1013、用去离子水冲洗，使用氮气枪吹干，得到衬底。
在上述实施例的基础上，进一步地，执行S102之后，还可以执行如下步骤：
S1030、使用胶带粘附在底电极的边缘区域。
在上述实施例的基础上，进一步地，S108可以通过如下步骤实现：
S1081、将物理掩膜版固定在阻变功能层上。
其中，所述物理掩模版是孔径为10～100微米、孔间距为200～500微米的方形孔阵列。
S1082、采用磁控溅射，使用活性金属，在阻变功能层上制备80～100纳米厚的顶电极。
S1083、去掉遮盖底电极的胶带，得到物理瞬态阈值开关器件。
在上述实施例的基础上，进一步地，执行S108之后，还可以执行如下步骤：
S109、使用半导体电学参数分析仪，测试物理瞬态阈值开关器件的阈值转换特性，统计阈值电压的分布情况。
在上述实施例的基础上，进一步地，执行S109之后，还可以执行如下步骤：
将物理瞬态阈值开关器件浸泡在溶液中，每隔5～15秒将物理瞬态阈值开关器件从溶液中取出，使用氮气枪将物理瞬态阈值开关器件吹干。
使用半导体电学参数分析仪对器件的电流-电压特性进行测试，当器件无法实现阈值转换，则完成功能自毁。
伴随溶解过程的继续进行，器件最终实现物理形态的消失。
下面结合图2以制备物理瞬态阈值开关器件的样片为例，对本发明实施例提供的物理瞬态阈值开关器件的制备方法进行说明。
请参见图2，图2为本发明实施例提供的另一种物理瞬态阈值开关器件的制备方法的流程示意图，如图2所示，本实施例提供的方法包括如下步骤：
S200、选用硅基衬底并进行清洗，分别使用丙酮，异丙醇各超声3～5分钟，随后用去离子水冲洗2～4分钟，并使用氮气枪吹干。
其中，S200对应上述实施例中的S101。
S201、沉积惰性金属。
将清洗完成的样片固定在托盘上，采用磁控溅射在样片上室温制备80～100纳米厚的惰性金属材料作为底电极。
其中，S201对应上述实施例中的S102。
S202、在底电极四周黏附胶带。
使用细胶带粘附样片的边缘区域，以便后续裸露出器件的底电极。
其中，S202对应上述实施例中的S1030。
S203、使用PVA溶液旋涂。
选用分子量Mw为13000～23000，87％～89％水解的PVA粉末，以10wt％的质量比与纯净的去离子水进行混合，并在60～80摄氏度下磁力搅拌24～36小时，使得PVA粉末充分地溶解在去离子水中，形成通透的PVA溶液。其中，本步骤对应上述实施例中的S1031和S1032。
待PVA溶液冷却后，在样片上滴5到6滴PVA溶液，使其覆盖面积略大于样片表面积的一半。其中，本步骤对应上述实施例中的S104。
将样片放在旋涂机上，将旋涂机的旋涂转速设为450～500rpm，旋涂8～10s；将所述旋涂机的转速调整到2000～2200rpm，旋涂40～50s，使得PVA溶液分散于样片表面。其中，本步骤对应上述实施例中的S1061。
S204、PVA薄膜固化。
将旋涂完成的样片放置在氮气柜中，静置36～48小时，使其自然晾干。
S205、顶电极掩模，活性金属沉积。
使用胶带将物理掩膜版固定在样片上，采用磁控溅射在样片上制备80～100纳米厚的活性金属作为顶电极。
其中，所述物理掩模版是孔径为10～100微米、孔间距为200～500微米的方形孔阵列。
其中，S205对应上述实施例中的S1081和S1082。
S206、去掉遮盖底电极的胶带，器件制备完成。
其中，S206对应上述实施例中的S1083。
进一步地，在S206之后还可以包括如下步骤：
S207、使用半导体电学参数分析仪测试样片上器件的阈值转换特性，统计阈值电压的分布情况。
其中，S207对应上述实施例中的S109。
进一步地，在S207之后还可包括如下步骤：
S208、将器件浸泡在溶液中。
将器件浸泡在溶液环境中，每隔5～15秒使用氮气枪将样片吹干，随后使用半导体电学参数分析仪对器件的电流-电压特性进行测试，当器件无法实现阈值转换，即完成功能自毁。
S209、伴随溶解过程的继续进行，器件最终实现物理形态的消失。
本实施例，通过溶液旋涂制备PVA薄膜，以作为器件的阻变功能层，使用物理掩膜的方法对物理瞬态阈值开关器件的顶电极展开图形化，通过将制备的物理瞬态阈值开关器件阵列浸泡在溶液环境中触发器件的功能自销毁，赋予物理瞬态阈值开关器件以紧急应变能力。
下面分别以4组不同材料的金属制作物理瞬态阈值开关器件为例，说明本发明的方法。
示例1：分别以W和Ag为底电极和顶电极，构建基于PVA薄膜的物理瞬态阈值开关器件为例。
步骤11、在Si衬底上制备阈值开关器件的底电极。
其中，步骤11可以包括如下步骤：
步骤11a、使用Si基衬底并进行清洗，分别使用丙酮，异丙醇各超声4分钟，随后用去离子水冲洗5分钟，并使用氮气枪吹干。
步骤11b、将清洗完成的样片固定在托盘上，采用磁控溅射在样片上室温制备约为100纳米厚的惰性金属W作为底电极，如图2中的S201所示。
步骤11c、使用细胶带粘附样片的边缘区域，以便后续裸露出器件的底电极，如图2中S202所示。
步骤12，在惰性底电极上制备均匀的PVA薄膜。
其中，步骤12可以包括如下步骤：
步骤12a、选用分子量Mw为13000～23000，87％～89％水解的PVA粉末，以10wt％的质量比与纯净的去离子水进行混合，并在60～80摄氏度下磁力搅拌24～36小时，使得PVA粉末充分地溶解在去离子水中，形成通透的PVA溶液。
步骤12b、待PVA溶液冷却后，在样片上滴5到6滴PVA溶液，如图2中S203所示。使其覆盖面积略大于样片表面积的一半，将样片放在旋涂机上进行旋涂，使得PVA溶液分散于样片表面，其旋涂过程如下：
首先，将初始旋涂转速设为500rpm，保持8s。
接着，将转速稳定到2000rpm，保持50s，使得聚乙烯醇溶液均匀的分散于样片的表面。
步骤12c、将旋涂完成的样片放置在氮气柜中，静置36～48小时，使其自然晾干固化，如图2中S204所示。
步骤13、在溶液环境中触发瞬态阈值开关器件的功能失效。
其中，步骤13可以包括如下步骤：
步骤13a、使用胶带将物理掩膜版固定在样片上，采用磁控溅射在样片上制备80纳米厚的活性金属Ag作为顶电极，如图2中S205所示。
步骤13b、去掉遮盖底电极的胶带，如图2中S206所示。使用半导体电学参数分析仪测试样片上器件的阈值转换特性并统计阈值电压的分布，如图2中S207所示。
步骤13c、将样片浸泡在室温下的去离子水中，如图2中S208所示。本实例中选择去离子水作为触发环境，但不限于该种溶液，每隔10秒使用氮气枪将样片吹干，随后使用半导体电学参数分析仪对器件的电流-电压特性进行测试，当器件无法实现阈值转换，器件完成功能自毁，伴随溶解过程的继续进行，器件最终实现物理形态的消失，如图2中在S209所示。
示例2：分别以W和Cu为底电极和顶电极，构建基于PVA薄膜的物理瞬态阈值开关器件。
步骤21、在Si/SiO2衬底上制备阈值开关器件的底电极。
其中，步骤21可以包括如下步骤：
步骤21a、使用Si/SiO2衬底并进行清洗，分别使用丙酮，异丙醇各超声5分钟，随后用去离子水冲洗5分钟，并使用氮气枪吹干。
步骤21b、将清洗完成的样片固定在托盘上，采用磁控溅射在样片上室温制备约为80纳米厚的惰性金属W作为底电极，如图2中S201所示。
步骤21c、使用细胶带粘附样片的边缘区域，以便后续裸露出器件的底电极，如图2中在S202所示。
步骤22，在惰性底电极W上制备均匀的PVA薄膜。
其中，步骤22可以包括如下步骤：
步骤22a、选用分子量Mw为13000～23000，87％～89％水解的PVA粉末，以10wt％的质量比与纯净的去离子水进行混合，并在60～80摄氏度下磁力搅拌24～36小时，使得PVA粉末充分地溶解在去离子水中，形成通透的PVA溶液。
步骤22b、待PVA溶液冷却后，在样片上滴5到6滴PVA溶液，如图2中在S203所示。使其覆盖面积略大于样片表面积的一半，将样片放在旋涂机上进行旋涂，使得PVA溶液分散于样片表面，其旋涂过程如下：
首先，将初始旋涂转速设为450rpm，保持10s。
接着，将转速稳定到2200rpm，保持40s，使得聚乙烯醇溶液均匀的分散于样片的表面。
步骤22c、将旋涂完成的样片放置在氮气柜中，静置36～48小时，使其自然晾干，如图2中S204所示。
步骤23，在溶液环境中触发瞬态阈值开关器件的功能失效。
其中，步骤23可以包括如下步骤：
步骤23a、使用胶带将物理掩膜版固定在样片上，采用磁控溅射在样片上制备约80纳米厚的活性金属Cu作为顶电极，如图2中在S205所示。
步骤23b、去掉遮盖底电极的胶带，如图2中在S206所示。使用半导体电学参数分析仪测试样片上器件的阈值转换特性并统计阈值电压的分布，如图2中在S207所示。
步骤23c、将样片浸泡在室温下的磷酸盐缓冲液中，如图2中在S208所示。每隔5秒使用氮气枪将样片吹干，随后使用半导体电学参数分析仪对器件的电流-电压特性进行测试，当器件无法实现阈值转换，器件功能自毁完成，伴随溶解过程的继续进行，器件最终实现物理形态的消失，如图2中在S209所示。
本实例中选择磷酸盐缓冲液作为触发环境，但不限于该种溶液。
可选的，磷酸盐缓冲液的主要成分可以包括：磷酸二氢钠、磷酸氢二钠以及氯化钠，浓度为0.01mol/L，PH值约为7.2～7.4。
示例3：分别以Mo和Ag为底电极和顶电极，构建基于PVA薄膜的物理瞬态阈值开关器件。
步骤31，在Si基衬底上制备阈值开关器件的底电极。
其中，步骤31可以包括如下步骤：
步骤31a、使用Si基衬底并进行清洗，分别使用丙酮，异丙醇各超声5分钟，随后用去离子水冲洗5分钟，并使用氮气枪吹干；
步骤31b、将清洗完成的样片固定在托盘上，采用磁控溅射在样片上室温制备约为100纳米厚的惰性金属Mo作为底电极，如图2中在S201所示。
步骤31c、使用细胶带粘附样片的边缘区域，以便后续裸露出器件的底电极，如图2中在S202所示。
步骤32、在惰性底电极Mo上制备均匀的PVA薄膜。
其中，步骤32可以包括如下步骤：
步骤32a、选用分子量Mw为13000～23000，87％～89％水解的PVA粉末，以10wt％的质量比与纯净的去离子水进行混合，并在60～80摄氏度下磁力搅拌24～36小时，使得PVA粉末充分地溶解在去离子水中，形成通透的PVA溶液。
步骤32b、待PVA溶液冷却后，在样片上滴5到6滴PVA溶液，如图2中在S203所示。使其覆盖面积略大于样片表面积的一半，将样片放在旋涂机上进行旋涂，使得PVA溶液分散于样片表面，其旋涂过程如下：
首先，将初始旋涂转速设为500rpm，保持8s。
接着，将转速稳定到2000rpm，保持50s，使得聚乙烯醇溶液均匀的分散于样片的表面。
步骤32c、将旋涂完成的样片放置在氮气柜中，静置36～48小时，使其自然晾干并固化，如图2中在S204所示。
步骤33、在溶液环境中触发瞬态阈值开关器件的功能失效。
其中，步骤33可以包括如下步骤：
步骤33a、使用胶带将物理掩膜版固定在样片上，采用磁控溅射在样片上制备约100纳米厚的活性金属Ag作为顶电极，如图2中在S205所示。
步骤33b、去掉遮盖底电极的胶带，如图2中在S206所示。使用半导体电学参数分析仪测试样片上器件的阈值转换特性并统计阈值电压的分布，如图2中在S207所示。
步骤33c、将样片浸泡在去离子水中，如图2中在S208所示。每隔10秒使用氮气枪将样片吹干，随后使用半导体电学参数分析仪对器件的电流-电压特性进行测试，当器件无法实现阈值转换，器件功能自毁完成，伴随溶解过程的继续进行，器件最终实现物理形态的消失，如图2中在S209所示。
本实例中选择去离子水作为触发环境，但不限于该种溶液。
示例4:分别以Mo和Cu为底电极和顶电极，构建基于PVA薄膜的物理瞬态阈值开关器件。
步骤41、在蓝宝石衬底上制备阈值开关器件的底电极。
其中，步骤41可以包括如下步骤：
步骤41a、使用蓝宝石衬底并进行清洗，分别使用丙酮，异丙醇各超声5分钟，随后用去离子水冲洗5分钟，并使用氮气枪吹干；
步骤41b、将清洗完成的样片固定在托盘上，采用磁控溅射在样片上室温制备约为80纳米厚的惰性金属Mo作为底电极，如图2中在S201所示。
步骤41c、使用细胶带粘附样片的边缘区域，以便后续裸露出器件的底电极，如图2中在S202所示。
步骤42、在惰性底电极Mo上制备均匀的PVA薄膜。
其中，步骤42可以包括如下步骤：
步骤42a、选用分子量Mw为13000～23000，87％～89％水解的PVA粉末，以10wt％的质量比与纯净的去离子水进行混合，并在60～80摄氏度下磁力搅拌24～36小时，使得PVA粉末充分地溶解在去离子水中，形成通透的PVA溶液。
步骤42b、待PVA溶液冷却后，在样片上滴5到6滴PVA溶液，如图2中在S203所示。使其覆盖面积略大于样片表面积的一半，将样片放在旋涂机上进行旋涂，使得PVA溶液分散于样片表面，其旋涂过程如下：
首先，将初始旋涂转速设为450rpm，保持10s。
接着，将转速稳定到2200rpm，保持40s，使得聚乙烯醇溶液均匀的分散于样片的表面。
步骤42c、将旋涂完成的样片放置在氮气柜中，静置36～48小时，使其自然晾干并固化，如图2中在S204所示。
步骤43、在溶液环境中触发瞬态阈值开关器件的功能失效。
其中，步骤43可以包括如下步骤：
步骤43a、使用胶带将物理掩膜版固定在样片上，采用磁控溅射在样片上制备约100纳米厚的活性金属Cu作为顶电极，如图2中在S205所示。
步骤43b、去掉遮盖底电极的胶带，如图2中在S206所示。使用半导体电学参数分析仪测试样片上器件的阈值转换特性并统计阈值电压的分布,如图2中在S207所示。
步骤43c、将样片浸泡在磷酸盐缓冲液中，如图2中在S208所示。每隔10s使用氮气枪将样片吹干，随后使用半导体电学参数分析仪对器件的电流-电压特性进行测试，当器件无法实现阈值转换，器件功能自毁完成，伴随溶解过程的继续进行，器件最终实现物理形态的消失，如图2中在S209所示。
本实例中选择磷酸盐缓冲液作为触发环境，其制备方法与示例2中的步骤23c类似，此处不再赘述，但溶液的选择不限于该种溶液。
图3为本发明实施例提供的一种物理瞬态阈值开关器件的制备装置的结构示意图，如图3所示，本实施例提供的装置包括：
底电极制备模块301，用于使用惰性金属材料，在衬底上制备底电极；
阻变功能层制备模块302，用于将聚乙烯醇溶液滴在底电极上，以使聚乙烯醇溶液覆盖底电极的面积大于底电极表面积的一半；使用旋涂机进行旋涂，以使聚乙烯醇溶液分散于底电极表面，并在氮气柜中静置使其自然晾干，得到阻变功能层；
顶电极制备模块303，用于使用活性金属材料，在阻变功能层上制备顶电极，得到物理瞬态阈值开关器件。
可选的，装置还包括：
聚乙烯醇溶液获取模块，用于将分子量为13000～23000，87％～89％水解的聚乙烯醇粉末，以10wt％的质量比与去离子水混合，得到混合溶液；在60～80摄氏度下，对混合溶液进行磁力搅拌24～36小时，得到聚乙烯醇溶液。
可选的，装置还包括：
聚乙烯醇溶液旋涂模块，用于待聚乙烯醇溶液冷却后，将旋涂机的旋涂转速设为450～500rpm，旋涂8～10s，随后将所述旋涂机的转速调整到2000～2200rpm，旋涂40～50s，以使聚乙烯醇溶液分散于所述底电极表面。
可选的，装置还包括：
衬底制备模块，用于对初始衬底进行清洗，得到清洗完成的衬底；分别使用丙酮，异丙醇对清洗完成的衬底进行超声处理；用去离子水冲洗，使用氮气枪吹干，得到衬底。
可选的，底电极制备模块301具体用于：
采用磁控溅射，在衬底上制备80～100纳米厚的惰性金属材料。
可选的，装置还包括：
底电极保护模块，用于使用胶带粘附在底电极的边缘区域。
可选的，顶电极制备模块303具体用于：
将物理掩膜版固定在阻变功能层上；采用磁控溅射，使用活性金属，在阻变功能层上制备80～100纳米厚的顶电极；去掉遮盖底电极的胶带，得到物理瞬态阈值开关器件。
可选的，装置还包括：
电学特性分析模块，用于使用半导体电学参数分析仪，测试物理瞬态阈值开关器件的阈值转换特性，统计阈值电压的分布情况。
本发明实施例提供一种物理瞬态阈值开关器件，物理瞬态阈值开关器件通过如上述第一方面的方法步骤制备得到。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种物理瞬态阈值开关器件的制备方法，其特征在于，包括：
使用惰性金属材料，在衬底上制备底电极；
将聚乙烯醇溶液滴在所述底电极上，以使所述聚乙烯醇溶液覆盖所述底电极的面积大于所述底电极表面积的一半；
使用旋涂机进行旋涂，以使所述聚乙烯醇溶液分散于所述底电极表面，得到阻变功能层；
使用活性金属材料，在所述阻变功能层上制备顶电极，得到物理瞬态阈值开关器件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将聚乙烯醇溶液滴在所述底电极上，以使聚乙烯醇溶液覆盖所述底电极的面积大于所述底电极表面积的一半之前，还包括：
将分子量为13000～23000，87％～89％水解的聚乙烯醇粉末，以10wt％的质量比与去离子水混合，得到混合溶液；
在60～80摄氏度下，对所述混合溶液进行磁力搅拌24～36小时，得到聚乙烯醇溶液。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用旋涂机进行旋涂，以使所述聚乙烯醇溶液分散于所述底电极表面，得到阻变功能层，包括：
将旋涂机的旋涂转速设为450～500rpm，旋涂8～10s；
将所述旋涂机的转速调整到2000～2200rpm，旋涂40～50s，以使所述聚乙烯醇溶液分散于所述底电极表面，并在氮气柜中静置36～48小时，使其自然晾干，得到阻变功能层。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用惰性金属材料，在衬底上制备底电极之前，还包括：
对初始衬底进行清洗，得到清洗完成的衬底；
分别使用丙酮，异丙醇对所述清洗完成的衬底进行超声处理；
用去离子水冲洗，使用氮气枪吹干，得到衬底。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用惰性金属材料，在衬底上制备底电极，包括：
采用磁控溅射，在所述衬底上制备80～100纳米厚的惰性金属材料。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述使用惰性金属材料，在衬底上制备底电极之后，还包括：
使用胶带粘附在所述底电极的边缘区域。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述使用活性金属材料，在所述阻变功能层上制备顶电极，得到物理瞬态阈值开关器件，包括：
将物理掩膜版固定在所述阻变功能层上，其中，所述物理掩模版是孔径为10～100微米、孔间距为200～500微米的方形或者圆形孔阵列；
采用磁控溅射，使用活性金属，在所述阻变功能层上制备80～100纳米厚的顶电极；
去掉遮盖底电极的胶带，得到物理瞬态阈值开关器件。
8.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
使用半导体电学参数分析仪，测试所述物理瞬态阈值开关器件的阈值转换特性，统计阈值电压的分布情况。
9.一种物理瞬态阈值开关器件的制备装置，其特征在于，包括：
底电极制备模块，用于使用惰性金属材料，在衬底上制备底电极；
阻变功能层制备模块，用于将聚乙烯醇溶液滴在所述底电极上，以使聚乙烯醇溶液覆盖所述底电极的面积大于所述底电极表面积的一半；使用旋涂机进行旋涂，以使聚乙烯醇溶液分散于所述底电极表面，得到阻变功能层；
顶电极制备模块，用于使用活性金属材料，在所述阻变功能层上制备顶电极，得到物理瞬态阈值开关器件。
10.一种物理瞬态阈值开关器件，其特征在于，所述物理瞬态阈值开关器件通过权利要求1-7任一所述的方法步骤制备得到。
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- 2021-08-25 CN CN202110984127.1A patent/CN113809232B/zh active Active
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| 王宏;马晓华;郝跃;: "物理瞬态阻变存储器研究进展" * |
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| CN113809232B (zh) | 2023-05-30 |
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