[發明專利]一種閾值開關材料、閾值開關器件及其制備方法

在審

• 申請號: 202211501433.6
• 申請日: 2022-11-28
• 公開（公告）號: CN115867122A
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 饒峰;丁科元;陳金濤
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: H10N70/20
• 分類號: H10N70/20
• 代理公司: 深圳市君勝知識產權代理事務所(普通合伙) 44268
• 代理人: 劉芙蓉

本發明公開一種閾值開關材料、閾值開關器件及其制備方法，所述閾值開關材料的化學式為M_xD_1?x，其中，M為La、Ce、Gd、Lu、Sc、Y、Zr、Mo、Hf、W、Ta中的一種，D為S、Se、Te中的一種，0.1≤x≤0.8。本發明中M選取的都是金屬元素，導電性好，一方面利于提升驅動電流，另一方面能夠降低導電通路形成的隨機性，提升基于此閾值開關材料的閾值開關器件的開關速度；M所選元素獨特的d軌道電子結構使得M_xD_1?x的結晶激活能較高，進而可獲得較低的漏電流M所選元素具有原子序數大于20的特點，原子擴散系數小，材料不易出現組分偏析，穩定性高，進而有利于獲得較長的疲勞壽命和較高的器件可靠性。

技術領域

本發明涉及半導體微電子技術領域，尤其涉及一種閾值開關材料、閾值開關器件及其制備方法。

背景技術

存儲器是目前半導體市場的重要組成部分，是信息技術的基石，在日常生活和國民經濟中都發揮著重要作用。隨著半導體行業突飛猛進的發展，半導體工藝水平也獲得了大幅提升，促使器件結構朝著三維方向發展，出現了諸如3D Xpoint等先進三維存儲技術。與傳統的2D存儲技術相比，3D存儲技術具有更高的存儲密度、更低的功耗、更好的使用壽命、更快的讀寫速度以及更低的成本。作為下一代最有潛力的非易失性存儲器之一，相變存儲器具有讀寫速度快、操作功耗低、循環壽命好、抗震動和輻射性好等優點。在高密度集成3D交叉陣列中，為了獲得較好的綜合性能，不僅需要性能優異的存儲單元，還需要與存儲單元性能匹配的開關單元，以消除選中單元的漏電流對未被選中單元的影響。在眾多可以作為相變存儲單元的開關單元器件中，同樣利用硫系化合物薄膜作為介質的閾值開關器件(Ovonic Threshold Switch)被認為是最有應用價值的開關器件。閾值開關器件主要包括上下電極材料、具有易失性閾值轉變特性的硫系化合物薄膜材料、保護硫系化合物薄膜材料防氧化的絕緣介質材料。閾值開關器件的工作原理是利用電學信號來控制器件的開關，即當施加電學信號滿足一定條件后，閾值開關材料由高阻態轉變為低阻態，閾值開關器件處于開啟狀態，可以通過施加不同類型的脈沖信號作用于相變存儲單元，使相變存儲材料在高低阻之間進行可逆轉變，以實現邏輯“0”和“1”的存儲；當施加在閾值開關器件的電學信號低于某一特定值時，閾值開關材料由低阻態轉變為高阻態，閾值開關器件處于關閉狀態，此時其他單元的漏電流不會對該存儲單元的電阻態產生影響，確保信息存儲的可靠性。

傳統的閾值開關材料多為含有As、Se等的多元材料體系，具有熱穩定性好、漏電流低、循環壽命長的優點，但是在開關速度、驅動電流等方面表現欠佳。并且多組元的材料在器件反復操作過程中易發生組分偏析，影響器件性能穩定，同時As具有毒性，因此急需開發出環境友好型且組分簡化的二元閾值開關材料體系。目前已經報道的基于B-Te、C-Te、Si-Te等二元體系的閾值開關器件具有較快的開關速度，但是存在驅動電流低、漏電流高、循環壽命短、穩定性不佳等問題。

因此，現有技術還有待于改進和發展。

發明內容

鑒于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種閾值開關材料、閾值開關器件及其制備方法，旨在解決現有基于二元體系閾值開關材料的閾值開關器件驅動電流低、漏電流高、循環壽命短、穩定性不佳的問題。

本發明的技術方案如下：

本發明的第一方面，提供一種閾值開關材料，其中，所述閾值開關材料的化學式為M_xD_1-x，其中，M為La、Ce、Gd、Lu、Sc、Y、Zr、Mo、Hf、W、Ta中的一種，D為S、Se、Te中的一種，0.1≤x≤0.8。

本發明的第二方面，提供一種閾值開關器件，其中，包括從下至上依次層疊設置的第一電極、閾值開關材料層和第二電極，所述閾值開關材料層包括本發明如上所述的閾值開關材料。

可選地，所述閾值開關器件還包括：