[發(fā)明專利]一種二維材料異質(zhì)結(jié)的憶阻器及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910779092.0
• 申請(qǐng)日: 2019-08-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110518117A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-11-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 熊偉;張文廣;鄧?yán)诿?/a>;劉敬偉;吳昊;段軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L45/00
• 分類號(hào): H01L45/00
• 代理公司: 42201 華中科技大學(xué)專利中心
• 代理人: 許恒恒;李智<國(guó)際申請(qǐng)>=<國(guó)際公布>=

本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種二維材料異質(zhì)結(jié)的憶阻器及其制備方法，該憶阻器自下而上包括襯底、底電極層、二維材料異質(zhì)結(jié)層及頂電極層，其中，所述二維材料異質(zhì)結(jié)層作為中間介質(zhì)層，是由兩種不同的金屬硫化合物構(gòu)成的兩層疊層結(jié)構(gòu)，該疊層結(jié)構(gòu)中的每一層對(duì)應(yīng)其中一種金屬硫化合物。本發(fā)明通過(guò)對(duì)器件所采用的關(guān)鍵功能層材料及器件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等進(jìn)行改進(jìn)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，完全基于二維材料構(gòu)建了新型憶阻器，顛覆了傳統(tǒng)的MIM結(jié)構(gòu)，具有較低的工作電壓、抗疲勞性和循環(huán)穩(wěn)定特性；并且，該憶阻器在模擬神經(jīng)元傳遞信息上表現(xiàn)出與神經(jīng)突觸傳遞信息高度的相似性，在未來(lái)類腦結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)上具有極大的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種二維材料異質(zhì)結(jié)的憶阻器及其制備方法。

背景技術(shù)

1971年美國(guó)加州伯克利大學(xué)蔡少棠教授從物理學(xué)對(duì)稱性角度大膽預(yù)測(cè)，除了已知的電阻、電容和電感三種基本電路無(wú)源元件之外，還應(yīng)存在第四種基本元件“憶阻器”：該元件的電阻值依賴于所輸入電流或電壓的歷史，即具有記憶特性。時(shí)隔37年，惠普實(shí)驗(yàn)室的工程師在《自然》雜志上宣布首次物理上發(fā)現(xiàn)了第四種基本電路元件，并旋即引發(fā)了全球電子行業(yè)的極大關(guān)注。

盡管憶阻器的出現(xiàn)引發(fā)了世界范圍的研究熱潮并取得了許多重要進(jìn)展，但有關(guān)憶阻器的研究還面臨著諸多挑戰(zhàn)。現(xiàn)有憶阻器的整體性能水平距離實(shí)際應(yīng)用要求(如高密度海量阻變存儲(chǔ)器、人工神經(jīng)元電路等)還有相當(dāng)?shù)牟罹啵€難以滿足工業(yè)應(yīng)用中的小尺寸(納米級(jí))、低能耗(低電壓、低電流)、高速率、高穩(wěn)定性、長(zhǎng)壽命等要求，尤其是其中的小尺寸和低能耗等要求，是擴(kuò)展憶阻器應(yīng)用必須要攻克的技術(shù)要點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外主要圍繞基于金屬/絕緣體/金屬(MIM)三明治架構(gòu)的憶阻器展開(kāi)研究。傳統(tǒng)的絕緣性材料和金屬氧化等和各金屬電極材料是當(dāng)前主要研究對(duì)象，研究歷史較長(zhǎng)，技術(shù)成熟度較高，其憶阻介質(zhì)層主要包括二元金屬氧化物、鈣鈦礦型復(fù)雜氧化物等絕緣體材料。然而由于材料本身在機(jī)械、光學(xué)等方面的局限性，難以滿足未來(lái)柔性、透明等方面的應(yīng)用要求，同時(shí)還面臨著器件結(jié)構(gòu)尺寸、穩(wěn)定性和工作電壓等諸多挑戰(zhàn)。

此外，新興納米功能材料熱別是二維納米材料的應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)高性能、超薄柔性透明憶阻器帶來(lái)了契機(jī)。然而目前二維材料主要是用來(lái)改進(jìn)傳統(tǒng)MIM型憶阻器中某些材料功能，如引入石墨烯、氧化石墨烯、單層二硫化鉬等能顯著提高憶阻器性能。目前尚未有人提供完全基于二維材料構(gòu)建新型憶阻器的技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明的目的在于提供一種二維材料異質(zhì)結(jié)的憶阻器及其制備方法，其中通過(guò)對(duì)器件所采用的關(guān)鍵功能層材料及器件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、以及制備方法的整體流程工藝設(shè)計(jì)等進(jìn)行改進(jìn)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，完全基于二維材料構(gòu)建了新型憶阻器，顛覆了傳統(tǒng)的MIM結(jié)構(gòu)，具有較低的工作電壓、抗疲勞性和循環(huán)穩(wěn)定特性；并且，該憶阻器在模擬神經(jīng)元傳遞信息上表現(xiàn)出與神經(jīng)突觸傳遞信息高度的相似性，在未來(lái)類腦結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)上具有極大的應(yīng)用前景。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種二維材料異質(zhì)結(jié)的憶阻器，其特征在于，自下而上包括襯底、底電極層、二維材料異質(zhì)結(jié)層及頂電極層，其中，所述二維材料異質(zhì)結(jié)層作為中間介質(zhì)層，厚度為1-50nm，是由兩種不同的金屬硫化合物構(gòu)成的兩層疊層結(jié)構(gòu)，該疊層結(jié)構(gòu)中的每一層對(duì)應(yīng)其中一種金屬硫化合物。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述二維材料異質(zhì)結(jié)層是由金屬疊層結(jié)構(gòu)在氧化性的硫蒸氣中直接硫化后形成的；所述金屬疊層結(jié)構(gòu)包括兩層單質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)，這兩層單質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)中每一層所含的金屬元素種類互不相同。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，直接硫化的溫度為500-1000℃，保溫時(shí)間為1～30min；優(yōu)選的，所述二維材料異質(zhì)結(jié)層的厚度為10nm，直接硫化的溫度為550℃，保溫時(shí)間不超過(guò)10分鐘。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述兩種不同的金屬硫化合物具體為兩種不同的過(guò)渡金屬硫化物；優(yōu)選的，所述過(guò)渡金屬硫化物為硫化鋅、硫化銀、硫化鈦、硫化鎘、硫化亞銅、硫化鍺、硫化鎘、硫化鎢、及硫化鉬中的任意2種。