一种基于二维离子导电体的阈值转变器件及制备方法技术

本发明专利技术属于阻变存储器件技术领域，具体为一种基于二维离子导电体的阈值转变器件及其制备方法。本发明专利技术器件自上而下依次为衬底、氧化物层、底电极、二维离子导电体功能层、少层石墨烯、顶电极；其中，氧化层为SiO2,底电极为Cr和Cu电极，二维离子导电体功能层为铜基磷硫酸盐，顶电极为Cr和Au电极。本发明专利技术通过引入铜电极与铜基磷硫酸盐以及石墨烯形成范德华异质结；通过施加电压控制铜基磷硫酸盐中铜离子的耗尽与积累，从而实现稳定的阈值阻变行为。铜电极的引入增加了铜离子的浓度梯度，使得功能层在电压降低时能通过铜离子扩散从低阻态恢复到高阻态。该阈值转变器件具有良好的稳定性和抗疲劳特性、较高的开关比以及超小亚阈值摆幅等特点。幅等特点。幅等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维离子导电体的阈值转变器件及制备方法


[0001]本专利技术属于阻变存储器件
，具体涉及一种阈值转变器件及制备方法。

技术介绍

[0002]人工智能和物联网的兴起带来了对大容量数据存储的迫切需要，随着存储技术的发展，阻变随机存储器因其具有读写速度快、器件结构简单和集成密度高等优点，在新一代存储器件中表现出很强的竞争力。阻变存储器通常采用交叉结构，以提高其存储密度，这种交叉结构易于制造，但也由于容易引入路径电流从而造成电阻串扰问题，从而影响信息读取的准确性并增加了器件功耗。为了解决串扰问题，人们提出了“1S1R”结构，即通过一个选择器与阻变器件串联，利用选择器来避免路径电流。通常采用的选择器是一种电阻阈值转变器件，即在一定的电压下进入低阻态，当电压减小时，又恢复高阻态。当前有多种材料被用作阈值转变器件，如简单金属氧化物、硫属化合物以及钙钛矿氧化物等。这些器件的阻变机理主要依赖材料中离子迁移形成的导电细丝结构，通过导电细丝构筑电子导电通道，然后随着导电细丝的形成与湮灭，实现阻变的转换。但由于导电细丝的形成通常具有随机性，从而降低了器件的工作稳定性。同时这些器件也存在着阈值电压高、耐久性差和加工温度高等缺点，一定程度上限制了其器件中的应用。[Small Struct.2021,2,2000109；Nat.Electron.2018,1,274；Phys.Lett.B 2020,34,2050115]。
[0003]近年来，二维材料的兴起为构建新型阈值转变器件提供了更多的选择。其中金属磷硫化合物材料，如铜铟磷硫等，是一种新型的二维层状材料。由于其晶格内的金属阳离子具有不稳定性，在电场作用下容易发生位移，从而引起铁电性或反铁电性，在较大的电场作用下甚至可以引起离子导电性。这种离子迁移特性使得金属磷硫化合物有望应用于阻变存储器件。前期的研究结果也表明通过外场的刺激可以控制诸如铜铟磷硫材料中铜离子的迁移，实现具有整流特性的电阻器件。但是由于铜离子的迁移对电场条件过于敏感，容易受电场扫描速度、电场方向以及施加历史等影响，使得实现稳定的阻态控制仍然具有难度[ACS Nano 2022,16,15347；Nat.Commun.2022,13,574；Nano Lett.2021,21,995]。因此为了提高器件的稳定性，使之有可能应用于阻变存储器，还需要在器件结构设计中做出努力。
[0004]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于二维离子导电体的新型阻变器件的制备方法。该方法是利用金属铜电极与少层二维铜基磷硫酸盐以及石墨烯构成异质结，其中铜和少层石墨烯分别作为底电极和顶电极。将器件的铜电极接地，在顶电极处施加正向扫描电压，由于少层铜基磷硫酸盐材料本征电导率低，器件初始状态为高阻态；当施加电压大于阈值电压时二维铜基磷硫酸盐内部的铜离子被激发，并在电场作用下发生漂移运动，当功能层材料内部铜离子耗尽时，铜基磷硫酸盐的微观结构会发生转变，并发生了从绝缘态向导电态的转变，因此器件从高阻态阈值转变为低阻态。而当施加电压减小到一定值时，铜离子的漂移运动减弱，同时由于靠近铜电极界面处的铜离子浓度远高于材料内部，使得铜离子从界面处向内部的扩散运动占据主导地位，由于铜离子注入功能材料内部，使得材料又发生了导电态向绝缘态的转变，即从低阻态回到高阻态。在这个过程中，铜电极的引入增
加了界面与内部的铜离子浓度差，从而增强了扩散运动。通过这种方法制备的器件表现出优异的阈值转变特性，包括稳定的阈值转变和回复过程，小的操作电压，高的开关比以及良好的抗疲劳特性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的终于提供一种阈值转变性能优异的基于二维离子导电体的阈值转变器件及其制备方法。
[0006]本专利技术提供的基于二维离子导电体的阈值转变器件，通过引入铜电极与二维离子导电体铜基磷硫酸盐及少层石墨烯，形成范德华异质结，利用铜离子在外加偏压下的漂移与扩散运动，实现功能层内铜离子的耗尽与注入，从而使主导器件实现高低阻态间的阈值转变特性。这种基于离子迁移实现的阈值转变行为具有良好的稳定性、抗疲劳特性以及超小的亚阈值摆幅。
[0007]本专利技术提供的基于二维离子导电体的阈值转变器件，其结构自下而上依次为：衬底、氧化物层、底电极、二维离子导电体功能层、少层石墨烯、顶电极；其中：
[0008]所述衬底为重掺杂的p型Si衬底，厚度可以为0.5毫米；
[0009]所述氧化层为SiO2,厚度为285
±
15纳米；
[0010]所述底电极为Cr和Cu电极，Cr厚度为5
‑
10纳米，Cu厚度为30
‑
40纳米；
[0011]所述二维离子导电体功能层为铜基磷硫酸盐，厚度为10
‑
15纳米；
[0012]所述少层石墨烯厚度为8
‑
15纳米；
[0013]所述顶电极为Cr和Au电极，Cr厚度为5
‑
10纳米，Au厚度为50
‑
60纳米。
[0014]本专利技术提供的基于二维离子导电体的阈值转变器件的制备方法，具体步骤为：
[0015](1)氧化层的制备
[0016]在重掺杂Si衬底上通过热氧化法制备氧化物层二氧化硅，厚度为285
±
15纳米；
[0017](2)衬底的清洗
[0018]将含有氧化层的衬底依次置于丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗14
‑
20分钟，清洗完成后置于紫外臭氧清洗机中清洗100
‑
130秒；
[0019](3)底电极的制备
[0020]采用匀胶和电子束曝光，结合热蒸镀和剥离工艺在氧化层表面制备Cr/Cu电极；
[0021](4)二维离子导电体铜基磷硫酸盐制备及转移
[0022]采用机械剥离法将铜基磷硫酸盐晶体解理至薄层，通过湿法转移技术将均匀少层铜基磷硫酸盐转移至底电极上；
[0023](5)少层石墨烯制备及转移
[0024]通过机械剥离以及干法转移技术将少层石墨烯转移至二维离子导电体功能层上；
[0025](6)顶电极的制备
[0026]采用匀胶和电子束曝光，结合热蒸镀和剥离工艺在氧化层表面制备Cr/Au电极，形成三明治结构的基于离子导电体的阈值转变器件；
[0027](7)器件的后处理
[0028]将制备好的器件置于氮气氛围的快速退火炉中退火1.5
‑
2.5小时，使材料直接范德华接触更充分来改善性能。
[0029]本专利技术的阈值转变器件，其阈值转变的机理如下：
[0030]将铜电极接地，在顶电极处施加正向电压扫描，当电压大于阈值时，离子导电体中的阳离子向铜电极处迁移，使得内部发生结构相变，导致离子导电体从绝缘态转变为导电态，器件从高阻态转变为低阻态，这时需要设定限流以保护器件不被损坏。当电压减小至一定值时，由于底电极界面处的阳离子浓度偏高而小电压不足以维持离子漂移运动，从而阳离子发生本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二维离子导电体的阈值转变器件，其特征在于，结构自下而上依次为衬底、氧化物层、底电极、二维离子导电体功能层、少层石墨烯、顶电极；其中：所述衬底为重掺杂的p型Si衬底；所述氧化层为SiO2,厚度为285
±
15纳米；所述底电极为Cr和Cu电极，Cr厚度为5
‑
10纳米，Cu厚度为30
‑
40纳米；所述二维离子导电体功能层为铜基磷硫酸盐，厚度为10
‑
15纳米；所述少层石墨烯厚度为8
‑
15纳米；所述顶电极为Cr和Au电极，Cr厚度为5
‑
10纳米，Au厚度为50
‑
60纳米。2.如权利要求1所述的阈值转变器件的制备方法，其特征在于，具体步骤为:（1）氧化层的制备在重掺杂Si衬底上通过热氧化法制备氧化物层二氧化硅，厚度为285<...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄海，钟志鹏，褚君浩，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：