硒化物晶体本征氧化制备的忆阻功能层材料、忆阻器及方法技术

本发明专利技术提供了一种硒化物晶体本征氧化制备的忆阻功能层材料、忆阻器及方法，属于微电子器件领域，功能层材料包括ReSe2本征氧化形成的Re2O7，本征氧化层位于ReSe2二维材料层上方，氧空位导电细丝连通ReSe2和被氧化的Re2O7本征氧化层。忆阻器包括了顶电极、底电极、ReSe2二维材料层、Re2O7本征氧化物层四部分。ReSe2二维材料层本身是低阻，可以较好的改善与电极的接触特性，以形成欧姆接触，而其氧化物Re2O7阻值很高，可以很大地增大器件的高阻，进而减小漏电流，增加器件的开关比。本发明专利技术同时提供了以上忆阻器的制备方法。本发明专利技术采用了一种全新的忆阻功能层材料，其能增加忆阻器件的开关比。的开关比。的开关比。

【技术实现步骤摘要】
硒化物晶体本征氧化制备的忆阻功能层材料、忆阻器及方法


[0001]本专利技术属于微电子器件
，更具体地，涉及一种硒化物晶体本征氧化制备的忆阻功能层材料、忆阻器及方法。

技术介绍

[0002]忆阻器被认为是电阻、电容、电感之外的第四种无源基本电路元件。忆阻器的阻值会随着流经它的电荷量而发生改变，并且能够在断开电流时保持它的阻值状态，从而实现非易失的信息存储功能。经研究，忆阻器所具有的非易失信息存储功能，使得其可以应用于高密度信息存储或者是非易失性状态逻辑运算。此外，部分忆阻器具有电导连续可调的特性，使得其也可以作为突触器件应用于类脑神经形态计算。忆阻器在单个器件中实现了存储与计算的融合，使得其成为构建非冯
·
诺依曼计算体系架构的基础器件之一。
[0003]目前，基于导电细丝理论的忆阻器具有结构简单、功耗低、读写速度快等优势，使其成为最具潜力的存储技术之一。然而，忆阻器开始研究的时间并不长，仍有许多问题亟待解决。一方面，忆阻器中离子在介质材料中的迁移会形成导电细丝，导电细丝的连通和断裂使器件的电导值发生变化。[参见如下两篇文献：SUN H,LIU Q,LI C,et al.Direct Observation of Conversion Between Threshold Switching and Memory Switching Induced by Conductive Filament Morphology[J].2014；YANG Y,GAO P,GABA S,et al.Observation of conducting filament growth in nanoscale resistive memories[J].2012,3(732.)]。
[0004]一方面，异质集成忆阻器件具有界面条件差、功能层材料电阻较低的缺点，会导致器件失效，功耗较高、开关比较低的问题。这严重限制了忆阻器存储芯片的存储容量，也对忆阻器的大规模集成和电路设计带来了很大的挑战。另一方面，外延生长忆阻功能层材料具有工艺条件复杂，功能层厚度不可无限减薄，导致设计成本较高，不利于控制器件功耗，限制了人工神经网络外围电路的设计。
[0005]目前，已经应用的关于降低忆阻器功耗的相关工作有下面这些：
[0006]例如，Liu等人基于二维HfSe2材料本征氧化制备HfSeO
x
忆阻功能层材料，利用HfSeO
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忆阻功能层材料禁带宽度较大，电阻率较高的特点，实现了忆阻器的低功耗应用。[LIU L,LI Y,HUANG X,et al.Low
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Power Memristive Logic Device Enabled by Controllable Oxidation of 2D HfSe
2 for In
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Memory Computing[J].2021,8(15):2005038.]。Zhao等人基于hBN本征氧化制备超薄BNOx忆阻功能层材料，顶电极采用Ag活性电极材料，将材料减薄至0.9nm超薄单层，实现导电细丝单点原子级生长，实现了fJ级别的忆阻器超低功耗。[ZHAO H,etal.Advanced Materials,2017,29(47):1703232]。
[0007]此外，申请号为202111165610.3、专利技术名称为“一种岛状低阻通路忆阻功能层材料、忆阻器及制备方法”的中国专利申请公开了硒化物和硒化物的氧化产物形成的忆阻器，但是其限定的是硒化物为第四、第五、第六副族金属元素的硒化物。其内部的微结构相对复杂，其硒化物的氧化产物中具有硒的三方晶体团簇，硒的三方晶体团簇在氧化产物层中呈
岛状分散布置，氧空位导电细丝连通硒的三方晶体团簇和未被氧化的剩余的硒化物部分。
[0008]以上方法中，或存在工艺复杂，或存在成本高昂，或存在性能不稳定的问题，因此，需要开发出一种新型的低阻通路忆阻功能层材料和忆阻器。

技术实现思路

[0009]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种硒化物晶体本征氧化制备的忆阻功能层材料、忆阻器及方法，设计一种新型的材料体系，在硒化物层原位氧化形成氧化物层，其为ReSe2硒化物层和ReSe2本征氧化获得的Re2O7层，仅仅采用本征氧化制备双层功能层忆阻器件，其界面接触良好，且电阻较大，易于降低器件功耗。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供了一种硒化物晶体本征氧化制备的忆阻功能层材料，其包括ReSe2硒化物层和ReSe2硒化物层上由ReSe2原位氧化获得的本征氧化物层，ReSe2硒化物层及其本征氧化物层紧密层叠形成整体，本征氧化物层中具有氧空位导电细丝，氧空位导电细丝连通ReSe2硒化物层和顶电极。该ReSe2硒化物层及其本征氧化物从未在任何忆阻功能层材料系中出现，是一种全新的忆阻器功能层材料。
[0011]进一步的，ReSe2硒化物为二维结构，本身具有良好金属性，以能建立本征氧化物层与外界电极之间的欧姆接触。
[0012]进一步的，ReSe2原位氧化获得的本征氧化物的电阻不低于1.0
×
108Ω，其本身具有忆阻特性，制备所得器件操作电流较低。本专利技术中，ReSe2原位氧化获得的本征氧化物的电阻是指在功能层未形成导电细丝之前的本征电阻，其测试方法为在进行循环操作之前，在上下电极间施加小电压(10mV)，测得其本征电阻(大约为100MΩ)。忆阻特性是指通过在电极两端施加极性相反的电压，致使器件功能层中导电细丝形成和断裂，从而操作器件从高阻态转变为低阻态，低阻态再次转变为高阻态，往复循环的特性。
[0013]按照本专利技术的第二个方面，还提供包含如上所述的硒化物晶体本征氧化制备的忆阻功能层材料的忆阻器，其包括顶电极、底电极、ReSe2硒化物层、ReSe2原位氧化获得的本征氧化物层，底电极设置在ReSe2硒化物层上，顶电极设置在本征氧化层上，ReSe2硒化物层用于改善本征氧化物层与底电极的接触特性，以形成欧姆接触。
[0014]进一步的，ReSe2硒化物层的厚度为5nm～12nm，本征氧化物层的厚度为10nm～20nm。优选的，本征氧化物层的厚度为15nm～20nm。
[0015]按照本专利技术的第三个方面，还提供一种制备如上所述的忆阻器的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
[0016]S1：在衬底上制备底电极，
[0017]S2：将ReSe2硒化物设置在步骤S1制备的底电极上，形成ReSe2硒化物层，
[0018]S3：对ReSe2硒化物层执行氧化退火，具体为，先在90℃～110℃下、大气氛围中退火45min～75min，然后升温至180℃～220℃，在真空环境下退火8min～12min，获得ReSe2的本征氧化物层，ReSe2的本征氧化物为Re2O7；
[0019]S4：在本征氧化物层上制备顶电极。
[0020]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硒化物晶体本征氧化制备的忆阻功能层材料，其特征在于，其包括ReSe2硒化物层和ReSe2硒化物层上由ReSe2原位氧化获得的本征氧化物层，ReSe2硒化物层及其本征氧化物层紧密层叠形成整体，本征氧化物层中具有氧空位导电细丝，氧空位导电细丝连通ReSe2硒化物层和顶电极。2.如权利要求1所述的一种硒化物晶体本征氧化制备的忆阻功能层材料，其特征在于，ReSe2硒化物为二维结构，本身具有良好金属性，以能建立本征氧化物层与外界电极之间的欧姆接触。3.如权利要求2所述的一种硒化物晶体本征氧化制备的忆阻功能层材料，其特征在于，ReSe2原位氧化获得的本征氧化物的电阻不低于1.0
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108Ω，其本身具有忆阻特性。4.包含如权利要求1
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3任一所述的硒化物晶体本征氧化制备的忆阻功能层材料的忆阻器，其特征在于，其包括顶电极、底电极、...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐明，熊昌鹰，沈佳豪，唐飞宇，缪向水，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：