一种拓扑相变材料忆阻器件的极性切换方法技术

本发明专利技术公开了一种拓扑相变材料忆阻器件的极性切换方法，其中，该忆阻器件包括由纯相SrFeO

【技术实现步骤摘要】
一种拓扑相变材料忆阻器件的极性切换方法


[0001]本专利技术属于半导体信息存储和人工突触器件
，更具体地，涉及一种拓扑相变材料忆阻器件的极性切换方法。

技术介绍

[0002]“拓扑相变”是针对材料结构稳定性而言的一种表述，当材料中的构成元素被抽取一部分后依然具有稳定的晶格框架，其相应的物理结构以及化学性质会产生一定的变化，这类材料被称为拓扑相变材料。典型的拓扑相变材料SrFeO
x
(SFO)通过得失氧可在SrFeO3钙钛矿(Perovskite,PV)相和SrFeO
2.5
钙铁石(Brownmillerite,BM)相之间互相转化。PV
‑
SFO中的O 2p轨道转移一个电子到Fe 3d轨道后处于未占满状态，电荷转移能量为负，没有带隙，呈金属导电相。BM
‑
SFO中O 2p轨道到未占据的Fe 3d轨道之间电荷转移能量为正，形成约2eV的带隙，呈绝缘相。通过外加电场可使SFO材料在PV相和BM相之间转化，材料的电阻值随之发生变化，根据这个性质可应用于忆阻器领域的研究，是近年来研究的热点。基于SFO材料的忆阻器件是通过氧离子的迁移来调控SFO忆阻器件的导电通道。置位(SET)过程中通过施加电压使氧离子发生迁移，沿途路径上的BM
‑
SFO接收氧离子会转化为PV
‑
SFO形成导电丝通道连接上下电极，器件从高阻转化为低阻；复位(RESET)过程通过施加反向电压，SET过程形成的PV
‑
SFO失去氧离子转化为BM
‑
SFO从而断开导电通道。
[0003]传统双极性忆阻器件的操作方向取决于功能层以及电极层的选择，在器件结构固定后，其操作方向很难进行切换调控，限制了忆阻器的可操作范围。图1、图2分别展示了忆阻器在构造与、或逻辑时的逻辑单元，可以看出，逻辑的切换需要依靠改变输入端忆阻器的极性来实现。此时，如果忆阻器M1和M2可以自由进行极性切换，图一和图二两个逻辑单元可以简并为一个。因此，有必要研究一种极性可切换的拓扑相变材料忆阻器件，以提供其在封装后的使用场景。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种拓扑相变材料忆阻器件的极性切换方法，通过施加偏压的方式改变忆阻器件极性，可有效提高忆阻器件的应用场景和潜力。
[0005]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种拓扑相变材料忆阻器件的极性切换方法，所述拓扑相变材料忆阻器件包括由下而上依次设置的衬底层、底电极层、存储介质层和顶电极层，所述存储介质层的材料采用纯相SrFeO
2.5
或SrCoO
2.5
，所述极性切换方法包括正向置位负向复位切换至负向置位正向复位的第一切换方法、及负向置位正向复位切换至正向置位负向复位的第二切换方法；
[0006]其中，所述第一切换方法包括如下步骤：
[0007](1)将所述拓扑相变材料忆阻器件的底电极层接地，在其顶电极层施加0～
‑
9V负向直流扫描电压完成电成型操作；
[0008](2)在所述顶电极层施加0～2V正向直流扫描电压完成SET操作，然后在顶电极层施加0～
‑
2.5V负向直流扫描电压完成RESET操作，使得所述拓扑相变材料忆阻器件为正向置位负向复位状态；
[0009](3)在顶电极层施加0～+6V正向直流扫描电压，然后在所述顶电极层施加0～
‑
2V负向直流扫描电压完成SET操作，接着在顶电极施加0～+2.5V正向直流扫描电压完成RESET操作，使得所述拓扑相变材料忆阻器件为负向置位正向复位；
[0010]所述第二切换方法包括如下步骤：
[0011](4)在步骤(3)的拓扑相变材料忆阻器件中的顶电极层上施加0～
‑
6V负向直流扫描电压，然后在所述顶电极层施加0～2V正向直流扫描电压完成SET操作，接着在顶电极层施加0～
‑
2.5V负向直流扫描电压完成RESET操作，使得所述拓扑相变材料忆阻器件为正向置位负向复位状态。
[0012]本专利技术提供的拓扑相变材料忆阻器件的极性切换方法，存储介质层采用纯相SrFeO
2.5
或SrCoO
2.5
，通过施加偏压的方式调控存储介质层中氧离子的迁移和聚集行为，可实现对忆阻器件的极性切换，有效提高该器件在封装后的使用场景。
[0013]在其中一个实施例中，所述存储介质层的晶向为<111>或<110>方向，其厚度范围为30～50nm。
[0014]在其中一个实施例中，所述底电极层的材料采用SrRuO3，其晶向为<111>或<110>方向，其厚度范围为50～100nm。
[0015]在其中一个实施例中，所述顶电极层的材料采用纯相Pt或Au，其厚度范围为80～100nm。
[0016]在其中一个实施例中，所述顶电极层的尺寸为60
×
60～100
×
100μm2。
[0017]在其中一个实施例中，所述衬底层的材料采用纯相SrTiO3,其晶向为<111>方向。
[0018]第二方面，本专利技术提供了一种用于实现与或功能的逻辑单元，包括两个上述所述的拓扑相变材料忆阻器件。
附图说明
[0019]图1是传统与门逻辑单元的结构示意图；
[0020]图2是传统或门逻辑单元的结构示意图；
[0021]图3是本专利技术一实施例提供的拓扑相变材料忆阻器件的结构示意图；
[0022]图4是图3提供的拓扑相变材料忆阻器件的极性切换方法的流程图；
[0023]图5是本专利技术一实施例中存储介质层在步骤S20中施加的偏压下的电流变化曲线图；
[0024]图6是本专利技术一实施例中存储介质层在步骤S30中施加的偏压下的电流变化曲线图；
[0025]图7是本专利技术一实施例中存储介质层在步骤S40中施加的偏压下的电流变化曲线图；
[0026]图8是本专利技术一实施例提供的拓扑相变材料忆阻器件的极性切换方法的原理示意图。
具体实施方式
[0027]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。
[0028]图3是本专利技术一实施例提供的极性可切换的拓扑相变材料忆阻器件的结构示意图，如图3所示，本实施例提供的忆阻器件包括由下而上依次设置的衬底层、底电极层、存储介质层和顶电极层。
[0029]在本实施例中，衬底层主要起支撑作用，其材料可纯相SrTiO3，其晶向可为<111>或<110>方向。底电极层和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种拓扑相变材料忆阻器件的极性切换方法，其特征在于，所述拓扑相变材料忆阻器件包括由下而上依次设置的衬底层、底电极层、存储介质层和顶电极层，所述存储介质层的材料采用纯相SrFeO
2.5
或SrCoO
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，所述极性切换方法包括正向置位负向复位切换至负向置位正向复位的第一切换方法、及负向置位正向复位切换至正向置位负向复位的第二切换方法；其中，所述第一切换方法包括如下步骤：(1)将所述拓扑相变材料忆阻器件的底电极层接地，在其顶电极层施加0～
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9V负向直流扫描电压完成电成型操作；(2)在所述顶电极层施加0～2V正向直流扫描电压完成SET操作，然后在顶电极层施加0～
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2.5V负向直流扫描电压完成RESET操作，使得所述拓扑相变材料忆阻器件为正向置位负向复位状态；(3)在顶电极层施加0～+6V正向直流扫描电压，然后在所述顶电极层施加0～
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2V负向直流扫描电压完成SET操作，接着在顶电极施加0～+2.5V正向直流扫描电压完成RESET操作，使得所述拓扑相变材料忆阻器件为负向置位正向复位；所述第二切换方法包括如下步骤：(4)在步骤(3)的拓扑相变材料忆阻器件中的顶电极层上施加0～
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6V负向直流扫描电压，然后在所述顶电极层施加0～2V正向直流扫...

【专利技术属性】
技术研发人员：程伟明，苏睿，肖睿子，陈家宝，缪向水，
申请(专利权)人：湖北江城实验室，
类型：发明
国别省市：