一种基于铁电顶栅的忆阻器及其制备方法与调控方法

1.本发明涉及忆阻器技术领域，尤其涉及一种基于铁电顶栅的忆阻器及其制备方法与调控方法。


背景技术：

2.忆阻器是一种新型的非易失型存储器件，近年来受到了半导体领域的广泛关注，在信息存储及新兴的类脑计算领域展现出优异的应用前景。忆阻器的结构极为简单，采用三明治结构，即“金属-阻变层-金属”。电激励可引起阻变层中导电通路的形成与断裂，使得器件在两个及以上的电导态间切换，以完成数据的存储。在大数据和人工智能背景下，高功能密度的忆阻器的开发引起了科研人员的广泛关注。
3.对于忆阻器功能密度的提升，关键在于器件对忆阻行为的调控能力。相比于三端的晶体管闪存，忆阻器的存储条件能力较弱。究其原因，在于忆阻器中只包含一个电流通路，器件仅可通过在两个电极中施加电刺激来完成编码，很难赋予这种两端器件忆阻调控性能。目前，国际上很多研究团队致力于开发具有忆阻调控性能的新型器件。例如，有研究人员利用设计了忆阻晶体管，通过栅极来动态调控忆阻器，实现存储特性的可重构化；利用刺激响应性的材料，构建可响应光、湿度、压力的阻变层，利用包括电场的多场来协同调控忆阻行为，以实现可调忆阻特性。尽管本领域已取得一定的进展，但对忆阻行为的调控还十分有限，主要存在以下两个挑战：
4.(1)忆阻晶体管对忆阻行为的调控为易失型的，即撤除栅极电压后，调控作用随之消失。如何构建具有非易失型的忆阻调控器件是其中一个挑战。
5.(2)目前报道的借助外界激励，如光刺激、湿度刺激等来调控忆阻行为的研究中，调控行为多为单调的调控性能，即外界激励的引入可引起忆阻器电导态单调的增加或降低，无法实现双向的忆阻行为调控。如果构建具有双向忆阻调控能力的器件是另一挑战。


技术实现要素：

6.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于铁电顶栅的忆阻器及其制备方法与调控方法，旨在解决现有忆阻器对忆阻行为的调控为易失型，且无法双向的问题。
7.本发明的技术方案如下：
8.一种基于铁电顶栅的忆阻器，其中，包括：衬底、间隔设置于所述衬底上的第一电极和第二电极、设置于所述第一电极和第二电极之间的阻变层、设置于所述阻变层上的铁电层、设置于所述铁电层上的顶栅极。
9.可选地，所述衬底为氧化硅衬底、玻璃衬底、pen衬底或pet衬底。
10.可选地，所述第一电极与所述第二电极的间距为50纳米-10微米。
11.可选地，所述第一电极与所述第二电极的间距为50纳米、100纳米、200纳米、500纳米、1微米、2微米、5微米或10微米。
12.可选地，所述第一电极的材料和第二电极的材料独立地选自金、银、铂、铜、镍、铬、铝或ito。
13.可选地，所述阻变层的材料为氧化铪、氧化硅、氧化钛、氧化铜、有机分子、钙钛矿、半导体材料、石墨烯、二维层状金属氧化物、二维过渡金属碳化物或二维过渡金属氮化物。
14.可选地，所述铁电层的材料为聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)、氧化钛锶、钛酸铅、钛酸钡或磷酸二氢钾。
15.可选地，所述顶栅极的材料独立地选自金、银、铂、铜、镍或铝。
16.一种本发明所述的基于铁电顶栅的忆阻器的制备方法，其中，包括步骤：
17.提供衬底；
18.在所述衬底上制备间隔的第一电极和第二电极；
19.在所述第一电极和第二电极之间制备阻变层；
20.在所述阻变层上制备铁电层；
21.一种本发明所述的忆阻器存储模式的调控方法，其中，包括：
22.利用顶栅极对铁电层施加脉冲电压激励，使铁电层处于向下极化状态或向上极化状态；在铁电层处于向下极化状态或向上极化状态下，对第一电极和第二电极间施加电压。
23.有益效果：传统忆阻器的电阻转变行为借助电场来驱动，本发明忆阻器利用铁电效应来实现忆阻行为的非易失与双向调控。具体而言，利用顶栅极完成铁电层的极化翻转，翻转后铁电场可形成稳定的内建电场，补偿或消耗原本忆阻器中的电场，对忆阻行为产生正回馈或负回馈的效果；同时，在矫顽电压以下，铁电效应能长时间保持，展现出非易失性。铁电的调控有利于提升忆阻器性能，如编程灵活性、功能密度提升、多比特存储，快速读写等。
附图说明
24.图1为本发明实施例提供的一种基于铁电顶栅的忆阻器的结构示意图。
25.图2为实施例1中单独电场操作模式下的忆阻性能图(100个循环)。
26.图3为实施例1中电场、铁电场共同作用下的忆阻性能图。
具体实施方式
27.本发明提供一种基于铁电顶栅的忆阻器及其制备方法与调控方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.本发明实施例提供一种基于铁电顶栅的忆阻器，如图1所示，包括：衬底、间隔设置于所述衬底上的第一电极和第二电极、设置于所述第一电极和第二电极之间的阻变层、设置于所述阻变层上的铁电层、设置于所述铁电层上的顶栅极。
29.传统忆阻器的电阻转变行为借助电场来驱动，本实施例忆阻器利用铁电效应来实现忆阻行为的非易失与双向调控。具体而言，利用顶栅极完成铁电层的极化翻转，翻转后铁电场可形成稳定的内建电场，补偿或消耗原本忆阻器中的电场，对忆阻行为产生正回馈或负回馈的效果；同时，在矫顽电压以下，铁电效应能长时间保持，展现出非易失性。铁电的调控有利于提升忆阻器性能，如编程灵活性、功能密度提升、多比特存储，快速读写等。
30.本实施例中，铁电材料在顶栅极电压去除以后仍然具有剩余极化，通过电荷屏蔽效应对阻变层产生调控，这种剩余极化状态可以长时间稳定存在，因此本实施例忆阻器通过铁电材料的栅极调控实现忆阻行为的非易失性。
31.本实施例中的忆阻器是通过阻变层内离子迁移来实现忆阻行为的。在顶栅极施加正电压后，铁电层产生了向下的极化状态，由于电荷屏蔽效应，使得阻变层内的可移动离子(带正电)向下富集，电极与阻变层界面和沟道内的可移动离子浓度增加，使得横向的阻变行为操作电压减少，操作电流增大。相反的，在顶栅极施加负电压后，铁电层产生了向上的极化状态，使得阻变层内的可移动离子(带正电)向上富集，电极与阻变层界面和沟道内的可移动离子浓度减少，使得横向的阻变行为操作电压变大甚至不能开启。因此，本实施例中的忆阻器可以通过对顶栅极施加不同极性的电压来实现横向忆阻行为的双向调控。
32.在一种实施方式中，所述衬底为氧化硅衬底、玻璃衬底或柔性衬底(如pen衬底或pet衬底)等，但不限于此。
33.在一种实施方式中，所述第一电极与所述第二电极的间距为50纳米-10微米，如50纳米、100纳米、200纳米、500纳米、1微米、2微米、5微米或10微米等。
34.在一种实施方式中，所述第一电极的材料和第二电极的材料独立地选自金、银、铂、铜、镍、铬、铝或ito等，但不限于此。
35.在一种实施方式中，所述阻变层的材料为金属氧化物(如氧化铪、氧化硅、氧化钛、氧化铜等)、有机小分子、钙钛矿、半导体材料、二维材料(如石墨烯、二维层状金属氧化物、二维过渡金属碳化物或二维过渡金属氮化物)等具有阻变特性的材料，但不限于此。
36.在一种实施方式中，所述铁电层的材料为聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)、氧化钛锶、钛酸铅、钛酸钡或磷酸二氢钾等具有铁电特性的材料，但不限于此。
37.在一种实施方式中，所述顶栅极的材料独立地选自金、银、铂、铜、镍或铝等，但不限于此。
38.本发明实施例提供一种如上所述的基于铁电顶栅的忆阻器的制备方法，其中，包括步骤：
39.提供衬底；
40.在所述衬底上制备间隔的第一电极和第二电极；
41.在所述第一电极和第二电极之间制备阻变层；
42.在所述阻变层上制备铁电层；
43.在所述铁电层上制备顶栅极。
44.其中，所述第一电极、第二电极、顶栅极的制备方法均可以为蒸镀法。
45.其中，所述阻变层、铁电层的制备方法均可以为溶液法，如旋涂法等。
46.在一种实施方式中，所述在所述衬底上制备间隔的第一电极和第二电极的步骤，具体包括：
47.利用光刻技术制备第一电极图案和第二电极图案；
48.利用热蒸镀技术在所述第一电极图案和第二电极图案上蒸镀电极材料，得到所述第一电极和第二电极。
49.一种本发明实施例所述的忆阻器存储模式的调控方法，其中，包括：
50.利用顶栅极对铁电层施加脉冲电压激励，使铁电层处于向下极化状态或向上极化
状态；在铁电层处于向下极化状态或向上极化状态下，对第一电极和第二电极间施加电压。
51.本实施例利用顶栅极对铁电层施加脉冲电压激励，以获取铁电层的向下极化或向上极化状态。这两种状态下，对忆阻器两个电极间施加电压回扫，研究电阻转变的特点。测试结果表明，铁电层向下极化状态会加速忆阻器的电阻转变，开启电压降低；而铁电层向上极化状态会抑制忆阻器的电阻转变，使器件彻底处于低电导状态，无法完成电阻转变。
52.而本实施例中的铁电层处于未极化翻转状态下，在忆阻器的两个电极间(即第一电极和第二电极间)施加电压回扫，可以驱动阻变层中电荷的迁移，实现电阻态的切换。
53.下面通过具体的实施例对本发明作进一步地说明。
54.本实施例采用平面型忆阻器结构，以氧化硅作为衬底材料，金作为忆阻器的电极材料，钙钛矿作为阻变层材料，聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)为铁电层材料，金作为顶栅极材料。忆阻器的结构如图1所示。
55.所述忆阻器的制备方法包含以下步骤：
56.1、利用去离子水超声清洗氧化硅衬底15分钟，随后用氮气吹干；
57.2、在清洗后的氧化硅衬底上依次旋涂160纳米厚的pmma和20纳米厚的pmma(分子量950000)，两层的旋涂速度条件分别为3600转/分钟，50秒；7200转/分钟，50秒；随后在180摄氏度下退火2分钟；
58.3、利用光刻技术制备电极图案，电极沟道长为2微米，宽度为100微米；
59.4、利用热蒸镀技术在预制电极图案的衬底上蒸镀5纳米厚的铬，然后在铬上蒸镀50纳米厚的金，蒸镀速度均为0.1埃/秒，随后在丙酮中浸泡10个小时以除去光刻胶，即完成电极的制备；
60.5、将钙钛矿的前驱体溶液1毫升(重量百分比为30％，溶剂为n,n-二甲基甲酰胺(dmf))旋涂在上述带有电极的衬底上，旋涂条件为4000转/分钟，40秒，旋涂过程中加入0.3毫升氯苯溶液，随后在100摄氏度下退火2小时，得到阻变层；
61.6、将聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)溶液1毫升(20毫克/毫升，溶剂为乙酸乙酯(eac))旋涂在上述阻变层上，旋涂条件为3000转/分钟，40秒，随后在140摄氏度下退火2小时，得到铁电层；
62.7、借助掩膜版在铁电层上蒸镀50纳米厚的金作为顶栅极，蒸镀速度为0.1埃/秒，即完成忆阻器的制备。
63.需指出，步骤5、6、7均在氮气氛围的手套箱中完成。
64.本实施例中的忆阻器具有两种编程摸索，具体如下：
65.(1)铁电层处于未极化翻转状态下，在忆阻器的两个电极间施加电压回扫，电压回扫的范围为-8伏特到8伏特，扫描速度为0.1伏特/秒，以驱动钙钛矿中空位的迁移，实现电阻态的切换；测试的结果如图2所示，器件展现出良好的一致性，电流开关比在100以上，开启电压在4伏特左右。
66.(2)利用顶栅极对铁电层施加+20伏特或者-20伏特的脉冲电压激励，时长为1分钟，以获取铁电层的向下极化或向上极化状态。这两种状态下，对忆阻器两个电极间施加电压回扫，电压回扫的范围为-8伏特到8伏特，扫描速度为0.1伏特/秒，研究电阻转变的特点。测试结果如图3所示，铁电层向下极化状态会加速忆阻器的电阻转变，开启电压降低到2伏特左右；而铁电层向上极化状态会彻底抑制忆阻器的电阻转变，使器件彻底处于低电导状
态，无法完成电阻转变。
67.综上所述，本发明提供的一种基于铁电顶栅的忆阻器及其制备方法与调控方法。相对于以前的技术策略，本发明利用铁电效应调控忆阻器的存储效应，可实现忆阻行为的双向、非易失性调控；铁电效应也可在调控过程中，优化器件的存储性能，如降低器件操作电压，多比特存储和快速写入/擦除操作。铁电层的引入也使得器件可在两种模式下完成编程：其一，铁电层处于未极化翻转状态下，是单独的电场作用下完成电阻切换；其二，铁电层处于极化翻转状态，铁电场和电场的共同作用完成电阻切换。
68.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。