阻变器件及其制作方法、显示基板的制作方法、显示装置与流程

本发明涉及电子制造领域，特别涉及一种阻变器件及其制作方法、显示基板的制作方法、显示装置。

背景技术：

随着近两年来新型阻变材料研究获得的进展，阻变器件开始受到人们的重视，阻变材料是一种可以根据外加偏压实现电阻态改变的材料，而阻变器件就是利用阻变材料的电阻态可变这种特性进行数字信号处理的电子器件。阻变器件可以在正向偏压下由高阻态变为低阻态，也可以在反向偏压下由低阻态返回高阻态，从而可以作为开关器件来使用，能够部分或完全替代显示器件中晶体管的功能。但是，在将阻变器件的制作过程结合至例如显示器件的制作工艺中时，面临阻变器件的阻变特性难以调整的问题。例如在设计工艺流程时，可以根据多方面情况确定阻变器件的阻变材料，并将阻变材料制作在电极之间以形成所需要的阻变器件。而由于阻变材料一旦确定，阻变器件本身的阻变特性(例如高阻态与低阻态之间的转变电压)就是相对固定的，而几乎无法通过如改变工艺参数等手段进行调整。由此，目前只能通过改变阻变材料并采用另外一整套的工艺配方，才能制作得到另一种阻变特性的阻变器件，而这在实际的产品生产中是非常困难的。

技术实现要素：

本发明提供一种阻变器件及其制作方法、显示基板的制作方法、显示装置，能够解决阻变器件的阻变特性在制作工艺中难以调整的问题。

第一方面，本发明提供了一种阻变器件的制作方法，包括：

形成第一电极层；

在所述第一电极层上形成表面相互接触的碳单质层和过渡金属氧化物层；

对所述表面相互接触的碳单质层和过渡金属氧化物层进行退火，以使碳单质层至少部分地通过与所述过渡金属氧化物层之间发生的氧化还原反应以气体的形式挥发，并使所述过渡金属氧化物层由其内部产生的氧空位而向阻变材料转变；

形成第二电极层。

在一种可能的实现方式中，所述在所述第一电极层上形成表面相互接触的碳单质层和过渡金属氧化物层，包括：

在所述第一电极层上形成碳单质层；

在所述碳单质层上形成过渡金属氧化物层。

在一种可能的实现方式中，所述在所述碳单质层上形成过渡金属氧化物层，包括：

通过印刷工艺将过渡金属氧化物的溶胶打印在所述碳单质层上，以形成过渡金属氧化物层。

在一种可能的实现方式中，所述印刷工艺具体是凸版印刷工艺或者喷墨打印工艺。

在一种可能的实现方式中，所述在所述第一电极层上形成表面相互接触的碳单质层和过渡金属氧化物层，包括：

在所述第一电极层上形成过渡金属氧化物层；

在所述过渡金属氧化物层上形成碳单质层。

在一种可能的实现方式中，在对所述表面相互接触的碳单质层和过渡金属氧化物层进行退火处理时，使所述碳单质层以气体的形式完全挥发。

在一种可能的实现方式中，所述第一电极层和/或第二电极层的形成材料是金属。

第二方面，本发明还提供了一种阻变器件，所述阻变器件采用上述任意一种阻变器件的制作方法制作得到。

第三方面，本发明还提供了一种显示基板的制作方法，其特征在于，包括：按照上述任意一种阻变器件的制作方法形成包括阻变器件的层结构。

第四方面，本发明还提供了一种显示装置，包括采用上述任意一种显示基板的制作方法制作得到的显示基板。

由上述技术方案可知，基于在退火过程中由相互接触的碳单质层和过渡金属氧化物层形成阻变材料，本发明可以通过调整退火过程中的工艺参数来调整阻变材料中的氧空位分布，进而实现阻变器件的阻变特性的调整，解决阻变器件的阻变特性在制作工艺中难以调整的问题。相比于现有技术而言，本发明能够基于对阻变特性的灵活调整实现高品质而低成本的阻变器件的制作工艺，能够适用于大规模工业生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1是本发明一个实施例提供的阻变器件的制作方法的流程示意图；

图2是本发明一个实施例提供的阻变器件在制作过程中的结构示意图；

图3是本发明一个实施例中采用凸版印刷工艺形成过渡金属氧化物层的过程和原理示意图；

图4是本发明一个实施例提供的阻变器件的结构示意图；

图5是本发明一个实施例提供的阻变器件的阻变原理的示意图；

图6是本发明一个实施例提供的阻变器件的阻变特性的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，且该连接可以是直接的或间接的。

图1是本发明一个实施例提供的阻变器件的制作方法的流程示意图。参见图1，该阻变器件的制作方法包括：

步骤101：形成第一电极层。

步骤102：在所述第一电极层上形成表面相互接触的碳单质层和过渡金属氧化物层。

步骤103：对所述表面相互接触的碳单质层和过渡金属氧化物层进行退火，以使碳单质层至少部分地通过与所述过渡金属氧化物层之间发生的氧化还原反应以气体的形式挥发，并使所述过渡金属氧化物层由其内部产生的氧空位而向阻变材料转变。

步骤104：形成第二电极层。

需要说明的是，步骤103和步骤104之间的执行顺序可以相互交换，并且上述所有步骤之前、各步骤之间以及上述所有步骤之后还可以包括一个或一个以上的步骤，比如在上述所有步骤之后还包括形成绝缘材料层以及在绝缘材料层中形成过孔的过程，再如在步骤103之后还包括将预定部分的过渡金属氧化物层导体化的过程，并可以不仅限于此。

还需要说明的是，上述第一电极层和上述第二电极层可以是任意一种导体材料形成的层结构，并可以分别作为阻变器件的顶电极和底电极中的一个。上述碳单质层的形成材料可以是碳粉、碳纤维、石墨或纳米碳材料，并可以不仅限于此。上述过渡金属氧化物层的形成材料可以例如包括包含一种或一种以上过渡金属元素的金属氧化物，还可以包括两种或两种以上过渡金属氧化物复合而成的多元复杂氧化物，所涉及的过渡金属氧化可以例如是氧化钛、氧化镍、氧化铝，并可以不仅限于此。

可以看出，基于在退火过程中由相互接触的碳单质层和过渡金属氧化物层形成阻变材料，本发明实施例可以通过调整退火过程中的工艺参数来调整阻变材料中的氧空位分布，进而实现阻变器件的阻变特性的调整，解决阻变器件的阻变特性在制作工艺中难以调整的问题。相比于现有技术而言，本发明实施例能够基于对阻变特性的灵活调整实现高品质而低成本的阻变器件的制作工艺，能够适用于大规模工业生产。

图2是本发明一个实施例提供的阻变器件在制作过程中的结构示意图，如图2所示的结构通过的下述步骤形成：

第一步骤：在底板上形成包括第一电极层的图形。

其中，底板可以例如是玻璃、氮化硅、有机聚合物等材料形成的衬底基板，也可以是表面上已经形成有一些层结构的衬底基板，并可以不仅限于此。本实施例中第一电极层11采用金属材料形成，包括而不仅限于铜、铝、钼、镍、银、铂、金(可以优选功函数超过指定能量阈值的金属材料)。在一种示例性的实现方式中，形成第一电极层11的过程包括：在清洗好的底板上以磁控溅射工艺形成一层金属膜层，并对该金属膜层依照图案化工艺的流程进行光刻胶涂覆、曝光、显影、金属刻蚀、光刻胶剥离等工序，所形成的图案化的金属膜层在图2所示的位置处即为第一电极层11。在其他实现方式中，金属膜层可以通过例如真空蒸镀或电化学沉积等物理气相沉积(physicalvapordeposition，pvd)工艺在底板上形成，此外图案化的金属膜层还可以包括行扫描线、晶体管电极、金属遮光层、电路连接线等图形中的至少一种，并可以不仅限于此。

第二步骤：在第一电极层上形成包括碳单质层的图形。

在一种示例性的实现方式中，形成碳单质层12的过程包括：在第一步骤完成后的基板上，以碳单质材料通过例如真空蒸镀或磁控溅射等物理气相沉积工艺形成一层碳薄膜(沉积厚度可以远小于其他膜层的厚度，比如第一电极层、过渡金属氧化物层和第二电极层的厚度均处于50～5000nm的范围内时，碳薄膜的厚度是1～15nm)，然后对该碳薄膜依照图案化工艺的流程进行光刻胶涂覆、曝光、显影、碳薄膜刻蚀、光刻胶剥离等工序，所形成的图案化的碳薄膜在图2所示的位置处即为碳单质层12。在其他实现方式中，在形成一层碳薄膜后可以不对其进行图案化，多余的碳薄膜可在后续的退火过程中被完全去除，或者在退火过程完成后被单独地采用刻蚀或剥离过程去除，并可以不仅限于此。

第三步骤：通过印刷工艺将过渡金属氧化物的溶胶打印在碳单质层上，以形成过渡金属氧化物层。

其中，印刷工艺可以例如是凸版印刷工艺或者喷墨打印工艺，并可以不仅限于此。参见图3，在一种示例性的实现方式中，通过凸版印刷工艺形成过渡金属氧化物层13的过程包括：二氧化钛溶胶从分配器21处滴至墨辊22的表面，并随着墨辊22的逆时针旋转被刮刀23抹平。随着印刷辊24的同步顺时针旋转，安装在印刷辊24的辊面上的印刷凸版25会通过与墨辊22表面之间的接触和挤压使二氧化钛溶胶转移到印刷凸版25的外侧表面的各个印刷图形上。而随着印刷辊24的顺时针旋转，基台26会带动待印刷板材27(即第二步骤完成后的基板)同步向左平移。当印刷辊24上的印刷凸版25与待印刷板材27的待印刷表面相互接触时，二氧化钛溶胶会在预定的挤压压力作用下被转印到待印刷板材27的待印刷表面上的对应图形区域，从而形成与印刷凸版25上的各印刷图形相对应的印刷图案。可理解的是，可以通过控制墨辊22的旋转速度、印刷辊24的旋转速度和基台26的平移速度，使得印刷辊24上印刷凸版25的外侧表面的线速度、墨辊22上二氧化钛溶胶的线速度，以及待印刷板材27的待印刷表面的平移速度一致或近似一致，以保障印刷的准确程度。在将二氧化钛溶胶按照所指定的图案印刷到碳单质层12上之后，可以通过例如干燥或烧结等方式形成具有所指定的图案的过渡金属氧化物层，在图2所示的位置处即为过渡金属氧化物层13。在其他实现方式中，所选用的用于形成过渡金属氧化物层的原料可以是其他过渡金属氧化物材料的溶胶(失去流动性的胶状物质)，并可以采用其他印刷工艺打印过渡金属氧化物的溶胶，所包含的过程也可以根据实际需求调整(增加步骤、减少步骤和/或变更步骤)，本发明对此不做限制。

需要说明的是，上述过渡金属氧化物的溶胶具体指的是通过干燥或烧结等过程可以形成过渡金属氧化物的溶胶或凝胶，例如将过渡金属氧化物分散到液体分散系中所形成的不具有流动性的溶胶或凝胶，可以通过干燥或烧结形成该过渡金属氧化物；再如将钛酸丁酯加入无水乙醇后形成的不具有流动性的溶胶或凝胶，可以在干燥或烧结后形成二氧化钛，并且可以不仅限于此。

由此，经过上述第一至第三步骤，即在底板上形成了如图2所示的结构。在一种实施方式中，由图2所示的结构最终形成的阻变器件的结构如图4所示。具体地，如图4所示的结构通过的下述步骤在图2所示的结构的基础上形成：

第四步骤：在预定温度下对碳单质层和过渡金属氧化物层进行退火，使得碳单质层通过与过渡金属氧化物层之间发生的氧化还原反应以气体的形式完全挥发。

在一种示例性的实现方式中，主要由铂形成的第一电极层、主要由二氧化钛形成的过渡金属氧化物层和碳单质层在200℃～300℃的预设温度下进行退火，使得碳单质层与过渡金属氧化物层在接触面上发生氧化还原反应，即碳原子与过渡金属氧化物中的氧原子结合形成一氧化碳和/或二氧化碳。所形成的一氧化碳和/或二氧化碳均会以气体的形式逸出，即碳单质层会在这一过程中逐渐转变为气体，直至碳单质层完全消失。而过渡金属氧化物层中会因为失去了一些氧原子而在内部形成氧空位，氧空位的出现即使得过渡金属氧化物层向阻变材料转变。例如图5所示，经过上述退火过程的过渡金属氧化物层13在与第一电极层11交界的位置处产生了一定量的氧空位ho，这些氧空位ho会在第一电极层11与第二电极层14之间的电压所产生的电场左右下发生移动，并在两端电压达到第一转变电压v1时到达第二电极层14处形成导电通路，使过渡金属氧化物层13上下两端的电阻值从一个高电阻值突变为一个低电阻值，即实现了阻变器件从高阻态向低阻态的转变。而如果此后在第一电极层11与第二电极层14之间施加与第一转变电压v1反向的第二转变电压v2时，氧空位ho又会整体向第一电极层11处移动，使得导电通路被切断，使过渡金属氧化物层13上下两端的电阻值从一个低电阻值突变为一个高电阻值，即实现了阻变器件从低阻态向高阻态的转变。作为一种更具体的示例，按照本实施例的方法所形成的一种阻变器件的伏安特性曲线如图6所示，可以看出在电压始终没有超过0.4v时电流值始终在0a附近，曲线斜率所代表的器件电阻值非常大；而在电压达到0.5v左右时电流值突然增大，并且随着电压变化电流值也会有比较大幅的变化，曲线斜率所代表的器件电阻值相对较小。可以看出，该阻变器件的上述第一转变电压大约在0.4～0.5v的范围内，即器件具有一定的阻变特性。

此外可以理解的是，过渡金属氧化物层13在与第一电极层11交界的位置处产生的氧空位能够降低接触面的势垒高度，使得过渡金属氧化物层13与第一电极层11之间形成良好的欧姆接触，有利于该接触面的电阻的降低。

第五步骤：在退火后的过渡金属氧化物层上形成包括第二电极层的图形。

其中，第二电极层14可以采用金属材料形成，包括而不仅限于铜、铝、钼、镍、银、铂、金(可以优选功函数超过指定能量阈值的金属材料)。在一种示例性的实现方式中，形成第二电极层14的过程包括：以磁控溅射工艺在过渡金属氧化物层上形成一层金属膜层，并对该金属膜层依照图案化工艺的流程进行光刻胶涂覆、曝光、显影、金属刻蚀、光刻胶剥离等工序，所形成的图案化的金属膜层在图2所示的位置处即为第二电极层14。在其他实现方式中，金属膜层可以通过例如真空蒸镀或电化学沉积等物理气相沉积(physicalvapordeposition，pvd)工艺形成，此外图案化的金属膜层还可以包括数据线、晶体管电极、像素电极、公共电极、电路连接线等图形中的至少一种，并可以不仅限于此。在第二电极层14采用金属材料形成时，第二电极层14与过渡金属氧化物层13之间可形成肖特基接触，即具有一个很大的表面势垒高度，即接触面的电阻也会相对较大，使得阻变器件的高阻态电阻足够大。

由此，经过上述第四至第五步骤，即在图2所示结构的基础上形成了图4所示的阻变器件的结构，该阻变器件可以基于如图5所示的阻变原理而具有如图6所示的阻变特性。

在本发明的又一示例中，上述第一电极层和/或第二电极层的形成材料是金属以外的导电材料，包括而不限于铟锡氧化物、重掺杂的半导体材料、导电聚合物等。而可以理解的是，相比于其他材料而言，采用金属材料形成第一电极层和/或第二电极层能够方便地调整阻变器件中肖特基电阻与体电阻的数值，更有利于实现所需要的阻变器件的特性。

在本发明的又一示例中，在对所述表面相互接触的碳单质层和过渡金属氧化物层进行退火处理时，使所述碳单质层以气体的形式仅部分地挥发。可理解的是，由于碳单质可以具有良好的导电性，因此在碳单质层部分保留在过渡金属氧化物层与第一电极层之间时可以不对其接触电阻造成很大的影响。而可以理解的是，相比于使碳单质层部分地挥发，使碳单质层完全地挥发更有利于形成过渡金属氧化物层与第一电极层之间的欧姆接触，减少其接触电阻，从而使阻变器件的低阻态电阻足够小。

在本发明的又一示例中，上述过渡金属氧化物层还可以通过例如磁控溅射的物理气相沉积工艺或化学气相沉积工艺形成，同样可以形成例如图2所示的过渡金属氧化物层13。而可以理解的是，相比于其他工艺，例如凸版印刷工艺或者喷墨打印工艺的印刷工艺所需要的设备和工艺步骤更简单，有助于降低阻变器件的制作成本。

在本发明的又一示例中，上述示例中充当底电极的第一电极层可以作为顶电极，而上述示例中充当顶电极的第一电极层可以作为底电极，即阻变器件的制作方法可以包括：参照上述第五步骤的制作方式在底板上形成第一电极层；参照上述第三步骤的方式在第一电极层上形成过渡金属氧化物层；参照上述第二步骤的方式在过渡金属氧化物层上形成碳单质层；参照上述第一步骤的方式在碳单质层上形成第二电极层；参照上述第四步骤的方式对过渡金属氧化物层和碳单质层进行退火。其中，在形成第二电极层之后再退火的理由在于，这样可以避免过渡金属氧化物层中的氧空位与空气环境中的氧气复合，影响阻变特性的形成。当然，也可以在无氧环境下先参照上述第四步骤的方式对过渡金属氧化物层和碳单质层进行退火，再参照上述第一步骤的方式形成第二电极层，同样可以避免氧空位与空气环境中的氧气复合的问题，但相比而言较不利于第二电极层与过渡金属氧化物层之间的欧姆接触的形成。

比较后易知，该制作方法可以通过制作顺序相反的方式形成阻变器件，可单独适用于一些特殊的应用场景；而按照上述图2和图4所示的阻变器件的制作方法中碳单质层被夹在第一电极层和过渡金属氧化物层之间进行退火，因此可以大幅减少外界环境对退火过程的影响(比如不存在环境中的氧气会与界面上的氧空位复合的问题)，因而对于阻变器件的阻变特性的控制更易于进行。

另外需要说明的是，本发明中碳单质层与过渡金属氧化物层之间相互接触的方式可以不仅限于彼此之间的直接层叠，还可以包括通过过孔彼此接触或是覆盖在外表面上地接触等等，并可以不仅限于此。

基于同样的发明构思，本发明实施例提供一种显示基板的制作方法，该显示基板的制作方法包括按照上述任意一种阻变器件的制作方法形成包括阻变器件的层结构，该层结构可以包括而不仅限于：栅极导电层、栅极绝缘层、有源层、源漏导电层、钝化层、像素电极层、有机发光层、层间介质层、公共电极层、平坦化层中的任意一个或者多个。基于上述任意一种阻变器件的制作方法所具有的有益效果，包括其全部过程的显示基板的制作方法也具有相同或相应的有益效果。

基于同样的发明构思，本发明实施例提供一种显示装置，该显示装置可以包括上述任意一种的显示基板。本发明实施例中的显示装置可以为：显示面板、手机、平板电脑、电视机、显示器、笔记本电脑、数码相框、导航仪等任何具有显示功能的产品或部件。基于显示基板因包含的阻变器件所具有的优点，显示装置也具有相同或相应的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。