[發明專利]基于鋅離子脫嵌調節電阻的三端電化學器件

在審

• 申請號: 202210555615.5
• 申請日: 2022-05-19
• 公開（公告）號: CN115050841A
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 李少青;周維亞;張月娟;王艷春;解思深
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01L29/792
• 分類號: H01L29/792;H01L29/24
• 代理公司: 北京智匯東方知識產權代理事務所(普通合伙) 11391
• 代理人: 王曉雪

本發明提供了一種基于鋅離子脫嵌調節電阻的三端電化學器件，包括：柵電極、源電極、漏電極以及存在于所述源電極與所述漏電極之間的溝道；其中，所述溝道由可嵌入和脫出鋅離子從而實現電阻可逆調節的鋅離子導體制成。通過在源電極與漏電極之間設置可嵌入和脫出鋅離子的鋅離子導體，并形成溝道，可基于溝道的鋅離子濃度變化實現電阻的可逆調節。由于鋅及鋅離子導體在空氣中較為穩定，且鋅離子脫嵌過程所需電壓較低、可逆性高，因此，本發明的三端電化學器件具備穩定性高、功耗低且可逆性高的優點。基于本發明的方案，有利于提升非易失性存儲器等電化學器件的性能。

技術領域

本發明涉及電化學器件，特別是涉及基于鋅離子脫嵌調節電阻的三端電化學器件。

背景技術

當前，先進半導體制程工藝已經進入5nm尺寸。對于5nm制程工藝而言，一方面，線寬已經接近物理極限，隧道電流大幅增加，短溝道效應突顯，另一方面，復雜的制造工藝不僅使成本驟增，也讓工藝進步的速度大幅放緩，僅通過更新工藝就使器件性能大幅提升的時代已經過去。因此傳統邏輯芯片未來可能難以跟上計算需求的發展。在這種背景下，類腦計算(或神經形態計算)作為一種有望大幅減少能耗和計算耗時的模擬計算方式被提出。

隨著類腦計算的深入發展，相關系統對于非易失性存儲器以及人工突觸的需求日益旺盛。2008年R.Stanley Williams等人提出依賴氧空位重新分布可以制備兩端的非易失性存儲器(憶阻器)，同時該文章驗證了非易失性存儲器在模仿突觸功能的潛力。隨后依賴電子-離子耦合輸運的相關工作有了極大進展，例如，(1)氧空位：在ZnO、Ta₂O₅、CeO₂、WO₂、TiO₂、HfO₂等金屬氧化物中，+2價的氧空位可以在外電場下重新分布，從而導致相分離，非易失地改變器件阻態；(2)銀離子、銅離子：銀、銅離子在電極處得到電子，發生還原反應生成金屬單質，進而生成一條金屬絲，改變器件阻態；(3)氫離子：氫離子由于較小的“離子半徑”和質量，很容易進入材料晶格，進而可以對碳材料、金屬氧化物材料等進行電化學摻雜，改變其阻態；(4)鋰離子：與氫離子相似，存在外場時，鋰離子可以通過可逆脫出-嵌入引起材料能帶結構的改變，達到調控器件組態目的。特別是Li_xCoO₂、Li_xWO₃和Li_4+xTi₅O₁₂等材料，隨著體相鋰離子濃度的改變，這些材料可發生金屬絕緣體相變，吸引了諸多關注。

盡管已經存在諸多基于電子-離子耦合過程的非易失性存儲器或人工突觸，但它們也存在各自問題：例如基于銀離子或銅離子氧化還原反應的器件可逆性差(主要因為金屬絲的完全氧化較難)，基于鋰離子脫出-嵌入的器件功耗較高，且許多電極材料、電解質在空氣氣氛中不穩定。因此，尋找更穩定(水、氧不敏感)、功耗更低、可逆性更高的材料體系是提升相關器件性能的關鍵方法之一。

發明內容

本發明的一個目的是要克服現有技術中的至少一個技術缺陷，提供一種基于鋅離子脫嵌調節電阻的三端電化學器件。

本發明一個進一步的目的是要提供一種具備穩定性高、功耗低且可逆性高的材料體系的三端電化學器件，提升非易失性存儲器等電化學器件的性能。

本發明另一個進一步的目的是要提升三端電化學器件的安全性。

本發明又一個進一步的目的是要使三端電化學器件具有較高的開關比和較高的可逆性。

特別地，本發明提供了一種基于鋅離子脫嵌調節電阻的三端電化學器件，包括：柵電極、源電極、漏電極以及存在于所述源電極與所述漏電極之間的溝道；其中，所述溝道由可嵌入和脫出鋅離子從而實現電阻可逆調節的鋅離子導體制成。