基于纳米液态金属颗粒的相变存储单元及该单元构成的存储器的制作方法

本发明涉及一种相变存储器，特别涉及一种基于纳米液态金属颗粒的相变存储单元及该单元构成的存储器。

背景技术：

近几十年来，计算机技术得到突飞猛进的发展，广泛应用于日常生活和工业生产的方方面面。对于计算机而言，存储器是其重要的组成部分，决定着计算机的计算速度等重要性能。半导体存储器是目前大部分计算机采用的存储器件，其基本工作原理是通过控制浮栅结构中的电荷数量来改变晶体管的阈值电压。当浮栅中存有电荷时，晶体管的阈值电压增大，晶体管关闭，对应逻辑运算中的0；当浮栅中无电荷时，晶体管开启，对应逻辑运算中的1。虽然半导体存储器的集成度高，且功耗低，但是其依靠电容的电荷来保存数据，需要定时刷新来保持数据，因此存取速度慢。信息技术的高速发展对存储器的数据处理速度提出了更高的要求，数据信息量的增加使得人们逐步向微米和亚微米集成电路方向发展，以此提高存储器的集成度，目前集成电路技术已接近物理尺度上的极限，难以突破现有技术的瓶颈。

相变存储器的概念最早由奥弗新斯基提出，并首次描述了基于相变理论的存储器：材料由非晶体状态变为晶体，再变回非晶体的过程中，其非晶体和晶体状态呈现不同的光学特性和电阻特性。因此可以利用非晶态和晶态分别代表0和1来存储数据。相比于传统的半导体存储器，相变存储器在非晶态和晶态之间以纳秒级快速转换，并且非晶态与晶态的电阻特性差别很大。相关的研究表明相变存储器的稳定性十分优良，有望成为下一代存储器件。目前的相变存储器主要以硫属化合物为基础的相变材料，这种材料在激光或电流的热效应下可以实现晶体和非晶体状态的改变，但是这种材料的结晶温度一般在200摄氏度左右，结晶温度较高，影响存储器性能和制备工艺。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于纳米液态金属颗粒的相变存储单元及该单元构成的存储器，利用液态金属的固液相变特性，将其制备成微纳米颗粒，用于设计相变存储器，这种相变存储器相比于传统的半导体存储器具有纳秒级别的相变速度，而相比于现有的相变存储器则具有更低的相变温度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于纳米液态金属颗粒的相变存储单元，包括加热部、相变材料层和顶电极，相变材料层作用于顶电极，加热部作用于相变材料层，所述相变材料层由微纳米液态金属颗粒掺杂在柔性聚合物薄膜中或者直接灌注在微流道结构中构成，通过加热相变材料层实现微纳米液态金属颗粒晶态和非晶态的转变，利用微纳米液态金属颗粒在非晶态和晶态下电阻特性的差异作为逻辑运算的0和1来存储数据。

所述液态金属为镓铟铋合金，不同成分的含量配比可以得到不同熔点和导电性能的液态金属合金。同时可在液态金属中掺杂金属颗粒，如铝、银、铅等，以提高相变材料的相变速度。

所述的微纳米液态金属颗粒的尺寸具有较大的变化范围，单个微纳米液态金属颗粒直径可在10nm到100um之间。

所述的加热部为加热电极或者激光加热装置。

所述加热电极可以设计为多种形状，例如凸面形或t形，以加大与相变材料层的接触面积。

所述相变存储器可与半导体器件组合构建存储器阵列。例如，与二极管连接在位线和字线之间，构建高密度二极管相变存储器。.

本发明的原理在于：

液态金属，如镓铟合金，是一种在常温下保持液态的一类合金，具有良好的导电性和较低的凝固点。液态金属在常温环境中具有很好的流动性，将其封装在柔性材料中使得液态金属在柔性传感器、可伸缩器件等方面有着广阔的应用前景。如作为可穿戴设备之间的电气连接部件以及用于制造柔性压力传感器、柔性电感和可拉伸扬声器等。除此之外，液态金属具有一些独特的性质，如在常温环境中易于固液相变的特性，可以用于制备相变存储器，从而解决传统相变存储器结晶温度较高的问题，并且将液态金属制备成微纳米级别的液滴可以实现存储器的集成化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明将微纳米液态金属颗粒掺杂在柔性聚合物薄膜中或者直接灌注在微流道结构中构成相变材料层，本发明相变存储单元基本结构包括加热电极、相变材料层和顶电极等部分。除了使用加热电极对相变材料层进行加热外，还可以使用激光对相变材料进行加热。相比于传统的相变存储器具有更低的相变温度，制备工艺比较简单，操作功耗更低。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于纳米液态金属颗粒的相变存储单元基本结构示意图。

图2为本发明所述的由基于纳米液态金属颗粒的相变存储单元构成的二极管存储器阵列。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

参考附图1，本发明所述的一种基于纳米液态金属颗粒的相变存储单元，基本结构包括加热电极2、相变材料层3和顶电极4等部分。其中加热电极2选用凸面结构，增加与相变材料层3的接触面积，提高相变速度。顶电极4与其他逻辑器件连接。相变材料层3通过将纳米液态金属颗粒灌注在微流道中实现。

该实施例中，液态金属为镓铟铋合金，不同的含量配比可以得到不同熔点和导电性能的液态金属合金。同时可在液态金属合金中掺杂其他金属，如铝、银、铅等金属，以提高相变材料的相变速度。

其中，加热电极1也可用激光探头代替。相变材料层3也可以是将纳米液态金属颗粒掺杂在聚合物薄膜中进行形状固定。

参考附图2，本发明相变存储单元与二极管连接可以构建高密度二极管相变存储器。其结构包括位线5、字线6、相变存储单元1和二极管7等部分。当选通二极管阵列单元时，其所在的字线6电压位于低电位，位线5位于高电位，从而使选通的二极管7开启并产生较大的电流驱动相变存储单元1实现高低电阻的转化；不选通的二极管7所在的字线6位于高电位，而位线5位于低电位，从而确保流过相变存储单元1的电流不使其电阻发生任何变化。

综上，本发明提出了一种基于纳米液态金属颗粒的相变存储单元，包括加热电极、相变材料层和顶电极等部分，使用聚合物薄膜或者微流道构建出特定形状的相变材料层，采用电极或者激光的方式对相变材料层进行加热，并且与半导体元件连接可构建相变存储器阵列，具有相变速度快、结晶温度低等优点。

技术特征：

技术总结
本发明提出了一种基于纳米液态金属颗粒的相变存储单元及该单元构成的存储器，相变存储单元包括加热电极、相变材料层和顶电极等部分，使用聚合物薄膜或者微流道构建出特定形状的相变材料层，采用电极或者激光的方式对相变材料层进行加热，并且与半导体元件连接可构建相变存储器阵列。本发明相变存储器具有相变速度快、结晶温度低等优点。

技术研发人员：国瑞;刘静
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2017.10.30
技术公布日：2018.03.20