一种基于相变原理的忆阻器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于相变原理的忆阻器及其制备方法，属于微电子技术领域；其中，忆阻器包括：由下至上的基底、底电极、第一限制层、介质层、第二限制层以及顶电极；第一限制层和第二限制层的材料均包括二维原子晶体材料；介质层的材料包括相变材料；第一限制层和第二限制层用于对介质层的相变范围进行限制；二维原子晶体材料中的二维原子晶体具有较高的结构稳定性，在介质层两侧制备限制层能够为介质层在垂直方向上施加较大的应力，对介质层的相变范围进行限制，大大提高了忆阻器的稳定性以及各种阻态下的保持时间，能够使得相变材料的亚稳态状态更加稳定，成为稳态，进而使器件拥有更好的稳定阻态。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相变原理的忆阻器及其制备方法
本专利技术属于微电子
，更具体地，涉及一种基于相变原理的忆阻器及其制备方法。
技术介绍
忆阻器(Memristor)是一个与磁通量和电荷量相关的无源电路元件，被认为是电阻、电容、电感之外的第四种电路基本元件。早在上世纪70年代，蔡少棠教授就从逻辑和公理的观点推断出这种元件的存在，但直到2008年，这种“丢失的器件”才首次被惠普实验室在单一的TiO2器件中实现。忆阻器具有非易失、尺寸小、功耗低、多阻态、很好的CMOS兼容性等优异的性能，使之在存储和类脑神经计算等方面展现出巨大的潜力。现有的基于相变原理的忆阻器件一般是具有顶电极、底电极以及阻变层的三明治结构，其开关过程利用电流产生的焦耳热，使得相变材料在组态较低的晶态与组态较高的非晶态之间转变。但是相变材料的相态较少、且在某相态下会随时间的推移而逐渐向着更稳定的相态相变，因此，传统的基于相变原理的忆阻器的阻飘系数较大，且随着相变材料选择的不同，其阻态也较少，限制了其在需要高稳定性的存储器、需要多阻态的类脑神经计算等方面的应用。此外，传统忆阻器厚度较厚，器件的机械延展性很差，同时限制了其在柔性及可穿戴设备上的应用。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供一种基于相变原理的忆阻器及其制备方法，用以解决现有忆阻器器件由于采用三明治结构，阻飘系数较大而导致的稳定性较差的技术问题。为了实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种基于相变原理的忆阻器，包括：由下至上的基底、底电极、第一限制层、介质层、第二限制层以及顶电极；其中，第一限制层和第二限制层的材料均包括二维原子晶体材料；介质层的材料包括相变材料；第一限制层和第二限制层用于对介质层的相变范围进行限制。进一步优选地，上述二维原子晶体为三氧化钼。进一步优选地，介质层的厚度小于或等于10nm，此时，第一限制层和第二限制层为介质层引入纳米级限制，将介质层的相变范围限制在纳米级别。进一步优选地，上述相变材料为硫系相变材料。进一步优选地，上述基底的材料为：硅基氧化物、氮化物、铝基氧化物和氮化物中的一种或多种。进一步优选地，上述基底材料为柔性材料。进一步优选地，上述底电极和顶电极的材料为：金属材料或柔性导电材料。进一步优选地，上述基于相变原理的忆阻器还包括：位于顶电极之上的保护层，用于隔绝空气和水汽；上述保护层的材料为：氮化硅、氮化硼、聚甲基丙烯酸甲酯、氧化硅和氧化铝中的一种或多种。第二方面，本专利技术提供了一种基于相变原理的忆阻器的制备方法，包括以下步骤：S1、在基底上制备底电极；S2、制备二维原子晶体材料，并将二维原子晶体材料转移至上述底电极上，形成第一限制层；S3、在第一限制层上制备相变材料，形成介质层；S4、制备二维原子晶体材料，并将二维原子晶体材料转移至上述介质层上，形成第二限制层；S5、在第二限制层上制备顶电极；其中，第一限制层和第二限制层用于对介质层的相变范围进行限制。进一步优选地，上述基于相变原理的忆阻器的制备方法还包括在步骤S5之后执行的步骤S6；步骤S6包括：采用化学气相沉积、旋涂、原子层沉积或机械剥离法在上述顶电极上覆盖保护层，以隔绝空气和水汽。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：1、本专利技术提供了一种基于相变原理的忆阻器，包括下至上的基底、底电极、第一限制层、介质层、第二限制层以及顶电极；其中，限制层的材料均包括二维原子晶体材料，介质层的材料包括相变材料；二维原子晶体材料中的二维原子晶体具有较高的结构稳定性，在介质层两侧制备限制层能够为介质层在垂直方向上施加较大的应力，对介质层的相变范围进行限制，从而有效的提高了相变材料在同一阻态下的稳定性，大大提高了忆阻器的稳定性。2、本专利技术所提供的基于相变原理的忆阻器，由于稳定性较高，各种阻态下的保持时间较长，能够使得相变材料的亚稳态状态更加稳定，成为稳态，进而使得器件能拥有更好的稳定阻态。3、由于介质层厚度越薄，限制层对介质层的限制效果就越明显，本专利技术所提供的基于相变原理的忆阻器中介质层的厚度小于或等于10nm，此时，第一限制层和第二限制层为介质层引入纳米级限制，将介质层的相变范围限制在纳米级别，可以更加精确的控制相变材料发生相变的位置，进而可以通过施加不同的电流来精确控制相变发生的区域，从而实现稳定的多阻态，增加忆阻器件的存储能力，也使其在阻变存储器以及人工突触或人工神经元方向有极大的应用潜力。4、本专利技术所提供的基于相变原理的忆阻器，由于限制层的材料均包括二维原子晶体材料，介质层的材料包括相变材料，而底电极可选用石墨烯等二维材料，基底可选用柔性材料，使制备出的忆阻器具有一定的柔性，可用于柔性、可穿戴设备。附图说明图1为本专利技术第一方面所提供的基于相变原理的忆阻器的结构示意图；图2为本专利技术第二方面所提供的基于相变原理的忆阻器制备方法的流程图；图3为本专利技术实施例1所提供的基于相变原理的忆阻器制备方法的流程图；图4为本专利技术实施例3所提供的基于相变原理的忆阻器制备方法的流程图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。为了实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种基于相变原理的忆阻器，具体为一种基于相变原理的高稳定性忆阻器，如图1所示，包括：由下至上的基底、底电极、第一限制层、介质层、第二限制层以及顶电极；其中，第一限制层和第二限制层的材料均包括二维原子晶体材料；介质层的材料包括相变材料；第一限制层和第二限制层用于对介质层的相变范围进行限制。两层限制层的存在大大提高了介质层材料各个晶态的稳定性，使得器件能够拥有更好的保持特性，从而使器件更加稳定。二维原子晶体材料中的二维原子晶体具有较高的结构稳定性，在介质层两侧制备限制层能够为介质层在垂直方向上施加较大的应力，对介质层的相变范围进行限制，从而有效提高相变材料在同一阻态下的稳定性，提高了忆阻器的稳定性，以及各种阻态下的保持时间，能够使得相变材料的亚稳态状态更加稳定，成为稳态，进而使得器件拥有更好的稳定阻态，具有更好的电学特性。本实施例中，二维原子晶体材料为单晶二维原子晶体材料，优选为过渡金属氧化物，可以为三氧化钼；过渡金属氧化物能够导电、晶格致密、且不易被氧化；而三氧化钼是一种常用的过渡金属氧化物，有着成熟的制备工艺和沉积工艺，在常温下也能很好的保存。进一步地，上述二维原子晶体材料能够通过机械剥离、化学气相沉积(CVD)、化学气相传输(CVT)、分子束外延(MBE)、激光减薄等方法制备得到。进一步说明的是，限制层厚度越厚，限制效果越好，但是限制层厚度太厚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相变原理的忆阻器，其特征在于，包括：由下至上的基底、底电极、第一限制层、介质层、第二限制层以及顶电极；/n所述第一限制层和所述第二限制层的材料均包括二维原子晶体材料；所述介质层的材料包括相变材料；所述第一限制层和所述第二限制层用于对所述介质层的相变范围进行限制。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于相变原理的忆阻器，其特征在于，包括：由下至上的基底、底电极、第一限制层、介质层、第二限制层以及顶电极；
所述第一限制层和所述第二限制层的材料均包括二维原子晶体材料；所述介质层的材料包括相变材料；所述第一限制层和所述第二限制层用于对所述介质层的相变范围进行限制。


2.根据权利要求1所述的基于相变原理的忆阻器，其特征在于，所述介质层的厚度小于或等于10nm，此时，所述第一限制层和所述第二限制层为所述介质层引入纳米级限制，将所述介质层的相变范围限制在纳米级别。


3.根据权利要求1所述的基于相变原理的忆阻器，其特征在于，所述相变材料为硫系相变材料。


4.根据权利要求1所述的基于相变原理的忆阻器，其特征在于，所述二维原子晶体为三氧化钼。


5.根据权利要求1所述的基于相变原理的忆阻器，其特征在于，所述基底的材料为：硅基氧化物、氮化物、铝基氧化物和氮化物中的一种或多种。


6.根据权利要求1所述的基于相变原理的忆阻器，其特征在于，所述基底材料为柔性材料。


7.根据权利要求1所述的基于相变原理的忆阻器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐明，王俊钦，缪向水，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42