一種具備多阻態特性的二階憶阻器及其調製方法
2023-05-13 02:20:31 1
專利名稱：一種具備多阻態特性的二階憶阻器及其調製方法
技術領域：
本發明屬於微電子器件領域，更具體地，涉及一種具備多阻態特性的二階憶阻器及其調製方法。
背景技術：
1971年加州大學伯克利分校的蔡少棠教授理論最早預測了除電阻、電容、電感以
外的第四種無源電路元件--[乙阻器。它的基本特徵是能夠記憶流經的電荷，並以電阻的
變化反應出來。由於憶阻器具備尺寸小、功耗低、速度快、非易失性等優點，因此成為了下一代非易失性存儲器的重要候選。此外，憶阻器所具備的電路特性、非線性的阻變行為以及電荷記憶等特徵，使得憶阻器在材料、電子、生物、化學和計算機等多個領域均獲得了廣泛應用，是當前國際研究的熱點之一所在。自從二氧化鈦最先被提出可作為憶阻功能材料以來，很多材料相繼被發現具有憶阻效應。2007年，R. Pandian等發現在多晶態下的相變材料Ge-Sb-Te薄膜中也具有憶阻效應，利用Ge-Sb-Te薄膜中多餘的金屬離子在晶界處移動也能產生不依賴於相變的憶阻特性；密西根大學的研究團隊同樣利用Ag離子在非晶矽中的移動形成導電通道來產生憶阻效應；此外，EP2443657A1中公開了一種利用金屬氧化物中空位的遷移來調節器件電阻以產生憶阻效應的存儲器。然而，對於現有技術中的這些憶阻器器件而言，其均為單階憶阻器，也即內部的狀態變量都僅有一個，包括電子自旋極化方向、電子勢壘高度等。這類單階憶阻器要麼僅利用金屬離子的移動來產生憶阻效應，要麼僅利用材料晶相變化來產生憶阻效應，缺乏能夠同時實現以上兩種憶阻產生過 程的兩階或多階憶阻器器件。而事實上，憶阻器器件因其階數的不同將會體現出更豐富的應 用潛力。相應地，本領域中存在著對憶阻器的構造及其調製方法作出進一步改進，以便獲得多階憶阻器的技術需求。
發明內容
針對現有技術的以上缺陷或技術需求，本發明的目的在於提供一種具備多阻態特性的二階憶阻器及其調製方法，其中通過對憶阻器關鍵材料的選擇及其調製方法上的改進，相應能夠獲得具有多個內部狀態變量以產生多重憶阻效應的二階憶阻器，同時具備結構簡單、尺寸可至納米級和易於製備等優點。按照本發明的一個方面，提供了一種具備多阻態特性的二階憶阻器，該憶阻器的器件單元包括上電極、下電極以及位於上下電極之間的功能材料層，其特徵在於所述功能材料層由分子式結構為Ge2Sb2Te5、Sb2Te3 *GeTe的硫系化合物製成,所述上、下電極中的至少一個由Ag或Cu製成。通過以上構思，按照本發明的二階憶阻器作為一種兩端器件，一方面電極的金屬離子可在硫系化合物界面處發生氧化-還原反應，生成的活性金屬離子在電場作用下進入功能材料內，並且不同極性的外壓電壓會使活性金屬離子朝不同方向遷移產生憶阻效應，即金屬離子的移動支配著憶阻效應；另一方面，大量的測試試驗表明，上述硫系相變材料在一定電流作用下可發生晶相變化，相應也會導致憶阻器器件阻值的變化，這樣通過改變操作方式可以使得功能材料層發生晶相變化，從而達到調製憶阻器器件憶阻特性的目的。以此方式，能夠產生多重憶阻效應，並獲得具備多阻態特性的二階憶阻器，且其尺寸可至納米級。作為進一步優選地，所述憶阻器器件單元還包括有由Ag或Cu構成的金屬接觸層，該金屬接觸層設置在下電極與功能材料層之間並與其形成電接觸。作為進一步優選地，所述上電極、功能材料層以及下電極共同形成十字交叉狀結構。作為進一步優選地,所述功能材料層的厚度為10nm 100nm,所述上、下電極的厚度分別為10nm 500nm。作為進一步優選地，所述二階憶阻器包括多個器件單元，這些器件單元以陣列或網絡的形式共同構成憶阻器。按照本發明的另一方面，還提供了相應的二階憶阻器調製方法，其特徵在於，該方法包括下列步驟(a)對二階憶阻器的器件單元施加限制電流或限制電壓，並對其相應執行直流電壓掃描或直流電流掃描，由此使得各個器件單元在其功能材料層處於非晶態狀態下呈現憶阻特性；(b)對限制電流/直流電壓掃描或限制電壓/直流電流掃描的範圍予以調整，直至功能材料層呈現晶相變化，由此使得各個器件單元在其功能材料層處於靜態狀態下呈現憶阻特性。作為進一步優選地，在步驟(a)中，所述限制電流的範圍為luA-l00uA，所述限制電壓的範圍為0. 1V-5V。總體而言，按照本發明的二階憶阻器及其調製方法與現有技術相比，主要具備以下的技術優點1、通過對憶阻器的上下電極和功能材料層的具體材料選擇，所製得的憶阻器能能夠同時利用金屬離子的移動和材料晶相變化來產生憶阻效應，因而可產生多重憶阻效應，具備多阻態特性；2、按照本發明的二階憶阻器尺寸小、結構簡單，易於製備，有較大的潛力應用於高密度存儲領域，尤其能夠對更多階的憶阻器的實現提供了新的發展方向。
圖1是按照本發明的二階憶阻器器件單元的主體結構示意圖；圖2是由圖1中所示的多個器件單元所共同構成的二階憶阻器的結構示意圖；圖3是按照本發明的二階憶阻器器件單元的電流-電壓特性曲線圖；圖4是按照本發明的二階憶阻器器件單元的晶相轉移曲線圖；圖5是按照本發明的二階憶阻器器件單元的阻值對比圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。圖1是按照本發明的二階憶阻器器件單元的主體結構示意圖。如圖1中所示，按照本發明的二階憶阻器的器件單元主要包括下電極101、上電極104以及位於上下電極之間的功能材料層103。其中，所述功能材料層103是硫系相變材料，也屬於固態電解質類材料，通常為Ge-Te、Ge-Sb-Te或Ag-Ge-Te等，其分子式結構譬如為Ge2Sb2Te5、Sb2Te3或GeTe。所述上、下電極104、101中的至少一個需採用Ag或Cu這類的活性金屬製成。通過以上的材料選擇及配合，這樣一方面，電極的活性金屬可以與硫系化合物界面處發生氧化還原反應，生成的活性金屬離子在電場作用下進入功能材料內遷移，不同極性的外加電壓使活性金屬離子朝不同方向遷移產生憶阻效應，即金屬離子的移動支配著憶阻效應；另一反面，硫系相變材料在一定電流作用下會發生晶相變化，也會導致器件阻值的變化，由此通過改變操作方式，使器件功能層材料發生晶相變化，從而可調節器件的憶阻特性並使得按照本發明的二階憶阻器整體呈現多阻態特性。如圖1中所示，在下電極101與功能材料層103之間還設置有金屬接觸層102，該金屬接觸層102譬如由Ag或Cu這類的活性金屬製成，並與下電極101、功能材料層103分別形成電接觸。之所以增設金屬接觸層102，主要是考慮到當通過光刻工藝等進行下電極與功能材料層之間的加工時，可能會引入界面汙染，並影響到活性金屬離子在功能材料層內的移動，為了避免以上問題，在本發明的一個優選實施方式中增加了金屬接觸層，這樣下電極101與金屬接觸層102之間可以執行光刻工藝，而金屬接觸層102與功能材料層103依次通過濺射工藝來完成。在另外一個優 選實施方式中，所述下電極101、功能材料層103以及上電極104共同形成了十字交叉狀結構。具體如圖1中所示，在該十字交叉狀結構中，下電極101例如沿著水平方向縱向排列，上電極104沿著水平方向橫向排列，而處於上下電極之間的功能材料層103則沿著豎直方向排列並分別與上下電極相垂直(如果存在金屬接觸層102的話，該金屬接觸層與功能材料層103相層疊，並同樣沿著豎直方向排列且分別垂直於上下電極)，該結構能帶來工藝簡單、集成度高等優點，並尤其適用於按照本發明的多階憶阻器。圖2是由圖1中所示的多個器件單元所共同構成的二階憶阻器的結構示意圖。如圖2中所示，該多階憶阻器包括多個器件單元，而且這些器件單元呈現為陣列或網絡的形式，所示陣列100中同一行的多個器件單元共同一個上電極，而同一列的多個器件單元共用同一個下電極。此外，對於各個器件單元而言，所述功能材料層的厚度為IOnm lOOnm，所述上、下電極的厚度分別為IOnm 500nm。下面將參照圖2來具體描述對按照本發明的二階憶阻器執行調製使其具產生多重憶阻效應的操作過程，在操作過程中，下電極接地，上電極與信號源相連接。初始狀態下，功能材料層為非晶態，為了防止功能材料層因焦耳熱發生相變，在初次操作的過程中施加一合適的限制電流，本實施例中為50uA，並進行雙向電壓掃描，這樣在基於非晶態的功能材料層下，器件單元體現出憶阻特性；接著，通過增大直流掃描範圍並撤去限制電流，功能材料層因焦耳熱發生相變到達晶態，在基於晶態的功能材料層下，器件單元仍體現出憶阻特性。如圖2中所示，雖然不同晶態下的憶阻行為趨勢一致，但對應的高/低阻值與閾值差異較大，展示了功能層的晶相轉變對憶阻特性的調製效應。圖4是按照本發明的二階憶阻器器件單元的晶相轉移曲線圖。如圖4中所示，在限制電流的作用下，器件基於非晶態的功能層體現憶阻特性；增大掃描範圍，器件功能層由非晶態轉變為晶態，仍體現憶阻特性。此外，如圖5中所示，顯示按照本發明的二階憶阻器具備多阻態特性，其中阻值切換次數提取自直流掃描作用下的切換曲線。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。·
權利要求
1.一種具備多阻態特性的二階憶阻器，該憶阻器的器件單元包括上電極、下電極以及位於上下電極之間的功能材料層，其特徵在於所述功能材料層由分子式結構為Ge2Sb2Te5、 Sb2Te3或GeTe的硫系化合物製成,所述上、下電極中的至少一個由Ag或Cu製成。
2.如權利要求1所述的憶阻器，其特徵在於，所述憶阻器器件單元還包括有由Ag或Cu 構成的金屬接觸層，該金屬接觸層設置在下電極與功能材料層之間並與其形成電接觸。
3.如權利要求1或2所述的憶阻器，其特徵在於，所述上電極、功能材料層以及下電極共同形成十字交叉狀結構。
4.如權利要求1-3任意一項所述的憶阻器，其特徵在於，所述功能材料層的厚度為 IOnm IOOnm,所述上、下電極的厚度分別為IOnm 500nm。
5.如權利要求1-4任意一項所述的憶阻器，其特徵在於，所述多階憶阻器包括多個器件單元，這些器件單元以陣列或網絡的形式共同構成憶阻器。
6.一種用於對如權利要求1-5任意一項所述的憶阻器執行調製以使其呈現多重憶阻效應的方法，其特徵在於，該方法包括下列步驟(a)對多階憶阻器的器件單元施加限制電流或限制電壓，並對其相應執行直流電壓掃描或直流電流掃描，由此使得各個器件單元在其功能材料層處於非晶態狀態下呈現憶阻特(b)對限制電流/直流電壓掃描或限制電壓/直流電流掃描的範圍予以調整，直至功能材料層呈現晶相變化，由此使得各個器件單元在其功能材料層處於靜態狀態下呈現憶阻特性。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，在步驟(a)中，所述限制電流的範圍為 luA-lOOuA，所述限制電壓的範圍為O. 1V-5V。
全文摘要
本發明公開了一種具備多阻態特性的二階憶阻器，該憶阻器的器件單元包括上電極、下電極以及位於上下電極之間的功能材料層，其中所述功能材料層由分子式結構為Ge2Sb2Te5、Sb2Te3或GeTe的硫系化合物製成，所述上、下電極中的至少一個由Ag或Cu製成。本發明還公開了相應的調製方法。通過本發明，能夠獲得具有多個內部狀態變量以產生多重憶阻效應的二階憶阻器，同時具備結構簡單、尺寸可至納米級和易於製備等優點。
文檔編號H01L45/00GK103050623SQ20121057236
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月25日 優先權日2012年12月25日
發明者孫華軍, 徐小華, 繆向水, 王青, 張金箭, 鍾應鵬, 李禕 申請人:華中科技大學