CN113921706B - 一种基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器及其制作方法,属于微电子技术领域。本发明所述忆阻器包括衬底，所述衬底上设有忆阻层，所述忆阻层为二维碲烯纳米线；所述二维碲烯纳米线的中部被一绝缘层覆盖，其两端部保持裸露；所述二维碲烯纳米线裸露的两端部和所述绝缘层的表面分别设有金属电极。本发明所述的场效应忆阻器的电阻由场电压进行调控，电阻变化3个数量级。场电压的短暂作用会对器件的电阻产生非易失性的影响，导致电阻变化达到1个数量级。忆阻器不仅可以利用其场效应实现逻辑运算，还可利用其电阻记忆的功能。本发明所述的忆阻器结构简单、制备简单、响应速度快、性能优越，是一种存算一体器件，有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器及其制作方法。
背景技术
自2017年成功制备二维碲烯以来，因其诸多优异特性，所以在光电探测器等电子器件应用上具有非常大的潜力。但大多研究均聚焦于碲纳米片，鲜有二维碲烯纳米线TNW的相关研究，而二维碲烯纳米线TNW具有与碲纳米片相同的结构，相似的性质，但其更小的尺寸及独特的边界特性使其具有更广泛的应用前景。在传统的计算机架构中，数据存储与数据处理是分离的，耗时长，功耗大，存算一体芯片有望大幅提升计算设备的算力。传统的场效应在场电压撤去后电阻恢复初始值，不存在记忆性。将忆阻器阵列高密度集成可实现存算一体，这对于忆阻材料的尺寸提出的新的要求，忆阻器仍处于发展阶段，新的材料对于制备高性能的忆阻器尤为重要。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器及其制作方法。
本发明的第一个目的是提供一种基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器，包括衬底，所述衬底上设有忆阻层，所述忆阻层为二维碲烯纳米线；所述二维碲烯纳米线的中部被一绝缘层覆盖，其两端部保持裸露；所述二维碲烯纳米线裸露的两端部和所述绝缘层的表面分别设有金属电极。
在本发明的一个实施例中，所述忆阻器的电阻由场电压进行调控，使电阻范围为106-109Ω。
在本发明的一个实施例中，当所述忆阻器施加正向场电压时，得到低电阻态，最低电阻为106Ω。
在本发明的一个实施例中，当所述忆阻器施加负向场电压时，得到高电阻态，最高电阻为107Ω。
在本发明的一个实施例中，所述衬底的材料为硅、钛酸锶或氮化镓。
在本发明的一个实施例中，所述绝缘层为氮化硼、氧化硅或氧化铝。
在本发明的一个实施例中，所述金属电极的材料为金、银、铝和铜中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，所述二维碲烯纳米线的厚度为20-40nm。
在本发明的一个实施例中，所述绝缘层的厚度为60-70nm。
在本发明的一个实施例中，所述金属电极的厚度为80-120nm。
本发明的第二个目的是提供一种基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器的制备方法，包括如下步骤：
(1)将二维碲烯纳米线转移至衬底表面，得到样品A；
(2)将绝缘层转移至步骤(1)所述样品A的二维碲烯纳米线上，使该二维碲烯纳米线中间被覆盖而两端仍裸露，得到样品B；
(3)在氩气气压下，在步骤(2)所述样品B表面沉积金属材料，得到样品C；
(4)利用光刻法对步骤(3)所述样品C表面沉积的金属材料进行电极图案覆盖，使得二维碲烯纳米线两端和绝缘层表面形成金属电极，得到样品D；
(5)将步骤(4)所述样品D置于蚀刻剂中，得到所述基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器。
在本发明的一个实施例中，在步骤(3)中，所述氩气气压为2×10-4-6×10-4mbar。
在本发明的一个实施例中，在步骤(3)中，所述沉积是利用磁控溅射技术，所述磁控溅射的温度为80-100℃；射频为150-170W，时间为1-5min。
在本发明的一个实施例中，所述二维碲烯是经如下步骤制备得到的：
将亚碲酸钠与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入水中搅均，后加入氨水、水合肼混均，加热，得到二维碲烯。
在本发明的一个实施例中，氨水和水合肼的体积比为2：1。
在本发明的一个实施例中，亚碲酸钠和水合肼的质量体积比为55：1g/L在本发明的一个实施例中，所述加热是160-200℃保温5-15h。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明所述的用于制备忆阻器的二维碲烯纳米线是一种边缘铁电材料，通过场电压调节边缘的极化，从而实现对电阻的调控。其长度大于50μm，宽度为100nm，高度为20nm，其尺寸小且性能优异，有利于发展为集成化芯片。
(2)本发明所述的场效应忆阻器可以利用场电压对器件的电阻实现调控，使电阻范围为106-109Ω，电阻变化高达3个数量级。
(3)本发明所述的场效应忆阻器能通过场脉冲电压实现对电阻的调控，电阻变化达到1个数量级，响应速度快，是一种非易失性调控的场效应器件。
(4)本发明所述的忆阻器对场脉冲电压具有记忆性。随着负向场脉冲电压的增大，器件的电阻也随之增大，最高电阻为107；而当正向场脉冲电压的增大时，器件的电阻会减小，最低电阻为106，说明该器件是由场效应调控的忆阻器。
(5)本发明所述的场效应忆阻器在场脉冲电压调控电阻的同时具有记忆性，具有数据存储能力，是一种存算一体器件。
(6)本发明所述的基于TNW场效应忆阻器，主要运用了TNW边界铁电的性质，介电绝缘层方便施加电场，并且在蚀刻金电极时能有效地保护TNW。该场效应忆阻器制备完成后，可在制备的金电极上引出导线进行测量并施加场电压。该器件的高低阻态大小差值达到1个数量级，且对所加场脉冲电压具有记忆性，适用于忆阻器。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明实施例提供的TNW场效应忆阻器的结构示意图。
图2为本发明测试例1提供的TNW场效应忆阻器的电阻在-100V～100V场电压下的电阻迟滞回线。
图3为本发明测试例2提供的TNW场效应忆阻器，由场脉冲电压所引起电阻的变化；其中a为该忆阻器施加负向场脉冲电压时电阻的变化曲线；b为该忆阻器施加正向场脉冲电压时电阻的变化曲线。
说明书附图标记说明：1为衬底、2为忆阻层、3为绝缘层、4为金属电极漏极、5为金属电极源极、6为金属电极栅极、7和8为导线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例
参照图1所示，本发明实施例提供的TNW场效应忆阻器的结构示意图，该忆阻器包括衬底1，所述衬底1上设有忆阻层2，所述忆阻层2为二维碲烯纳米线；所述二维碲烯纳米线的中部被一绝缘层3覆盖，其两端部保持裸露；所述二维碲烯纳米线裸露的两端部和所述绝缘层3的表面分别设有金属电极；金属电极4为漏极、金属电极5为源极、金属电极6为栅极。所述金属电极5和金属电极6分别与金属电极4通过导线7和8电性导通。
本实施例的基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器及其制作方法，分为水热法生长二维碲烯纳米线TNW与忆阻器的制备两个部分。
A、水热法生长二维碲烯纳米线TNW
(1)将46mg亚碲酸钠(Na2TeO3)与1g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)倒入16ml双重蒸馏水中，搅拌均匀；
(2)用磁力搅拌器搅拌20min；
(3)将溶液转移至水热釜四氟内衬中，再加入1.66ml氨水溶液和0.84ml水合肼，混合均匀后将水热釜密封；
(4)将水热釜置于烘箱中160℃保温10h；
(5)保温结束后自然冷却至室温，将所得溶液在4000r/min下离心15min后能在离心管底部发现银白色沉淀，随后继续用蒸馏水离心洗涤3次，最终得到TNW的悬浮液。
水热法生长10h的TNW的长度大于50μm，宽度为100nm，高度为20nm。
B、忆阻器的制备
(1)将TNW溶液稀释，并以硅片为衬底将TNW捞出，使TNW转移至硅衬底表面；
(2)由于BN拥有绝佳的绝缘特性，利用二维材料转移平台将氮化硼(Boronnitride，BN)转移至某根选定的TNW上，使得该TNW中间被覆盖而两端仍裸露；
(3)在3×10-4mbar气压下，利用磁控溅射技术在步骤(2)获得的样品表面沉积金；磁控溅射运用的是射频溅射，样品台前烘90℃，射频电源160W，沉积时间为3min。
(4)选定掩膜版上的四电极图案，利用光刻技术使得光刻胶两个电极覆盖在步骤(2)TNW的两端，另外两个电极选其一覆盖在BN上；使得裸露的TNW两端和BN覆上金电极，便于施加电场及测量，TNW的两端金电极分别作为源极和漏极，BN上金蒸镀电极作为栅极；
(5)用塑料镊子夹取硅片置于金蚀刻剂中轻轻搅拌，23s后捞出清洗，通过导线分别将源极、栅极与漏极电性导通，即得到一种基于TNW场效应的新型忆阻器。
测试例1
参照图2，为本发明实施例电阻在场电压-100V～100V下的迟滞回线。从图中可以看出，场电压对电阻的调控高达3个数量级，因此该器件具有很大的场效应电阻调控，可以应用逻辑运算单元。此外，场电压从-100至100V的电阻曲线与100至-100V的曲线完全不重合，表现出显著的迟滞特性。这主要是由TNW的边界铁电所导致的。这种迟滞性使得正向场电压与负向场电压对电阻的影响具有记忆性。由该图可知，在负向场电压作用后的电阻要比正向场电压作用后的电阻达到1个数量级，表明该器件具有优异的场效应记忆特性。
测试例2
参照附图3，为本实施例提供的TNW场效应忆阻器在场脉冲电压调控下电阻的变化曲线。图3a为该忆阻器负向场脉冲电压时电阻的变化曲线，在施加场脉冲电压与撤去场脉冲电压时电阻存在明显变化，并且其响应速度很快，说明该器件是一种优异的场效应器件。场脉冲电压的大小对于其作用后的电阻有着决定性的影响。随着负向场脉冲电压的增大，0V时的电阻也随之增大，说明该器件对负向场脉冲电压具有记忆特性。图3b为该忆阻器正向场脉冲电压时电阻的变化曲线，与图3a类似，该器件对正向场脉冲电压也有快速的场效应响应，且随着正向场脉冲电压的增大，0V时的电阻也随之减小。该场效应忆阻器件的电阻是连续可调的，有利于实现多比特的信息存储器件。当同时利用其场效应与忆阻特性时，即可实现算存一体的功能。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器，其特征在于：包括衬底，所述衬底上设有忆阻层，所述忆阻层为二维碲烯纳米线；所述二维碲烯纳米线的中部被一绝缘层覆盖，其两端部保持裸露；所述二维碲烯纳米线裸露的两端部和所述绝缘层的表面分别设有金属电极，所述二维碲烯纳米线的长度大于50μm，宽度为100nm，高度为20nm。
2.根据权利要求1所述基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器，其特征在于：所述忆阻器的电阻由场电压进行调控，使电阻范围为106-109Ω。
3.根据权利要求1所述基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器，其特征在于：当所述忆阻器施加正向场电压时，得到低电阻态，最低电阻为106Ω。
4.根据权利要求1所述基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器，其特征在于：当所述忆阻器施加负向场电压时，得到高电阻态，最高电阻为107Ω。
5.根据权利要求1所述基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器，其特征在于：所述衬底的材料为硅、钛酸锶或氮化镓。
6.根据权利要求1所述基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器，其特征在于：所述绝缘层为氮化硼、氧化硅或氧化铝。
7.根据权利要求1所述基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器，其特征在于：所述金属电极的材料为金、银、铝和铜中的一种或多种。
8.根据权利要求1-7任一项所述基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将二维碲烯纳米线转移至衬底表面，得到样品A；
(2)将绝缘层转移至步骤(1)所述样品A的二维碲烯纳米线上，使该二维碲烯纳米线中间被覆盖而两端仍裸露，得到样品B；
(3)在氩气气压下，在步骤(2)所述样品B表面沉积金属材料，得到样品C；
(4)利用光刻法对步骤(3)所述样品C表面沉积的金属材料进行电极图案覆盖，使得二维碲烯纳米线两端和绝缘层表面形成金属电极，得到样品D；
(5)将步骤(4)所述样品D置于蚀刻剂中，得到所述基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器。
9.根据权利要求8所述的基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器的制备方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述氩气气压为2×10-4-6×10-4mbar。
10.根据权利要求8所述的基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器的制备方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述沉积是利用磁控溅射技术，所述磁控溅射的温度为80-100℃；射频为150-170W，时间为1-5min。
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