一种相变温度可调的超晶格Mott相变器件

本发明属于新型微电子器件领域，具体涉及一种相变温度可调的超晶格mott相变器件。

背景技术：

1、mott相变材料凭借其内部丰富的离子动力学特性、超快的相变速度以及相变前后明显的电学、光学等特性差异，近年来得到众多科研人员的青睐。目前主流的mott相变材料包括二氧化铌(nbo2)和二氧化钒(vo2)，两种材料在室温下(~300k)都表现为电阻较高的绝缘态，而通过电学或热学方式改变环境温度，使材料温度超过其相变温度时，就会导致材料内部发生迅速的mott相变，从而使材料转变为电阻较低的金属态。基于mott相变材料的这些特点，研究者们设计构建了包括人工神经元、人工突触在内的多种神经形态器件，并将其广泛应用于类脑计算、复杂生物神经行为模仿、多模态感知等领域，有效降低了信息处理和计算过程中的硬件代价以及时间、能量消耗。

2、目前mott相变材料面临的主要挑战是其与集成电路工作环境失配的相变温度，其中二氧化铌的相变温度约为1083k，如此高的温度不仅会造成相变过程中大量的能量消耗，同时也增加了器件外围电路的设计难度；另一方面，二氧化钒的相变温度约为340k，而集成电路芯片工作时的温度通常会超过此温度，这会导致二氧化钒器件始终处于金属态从而不能发挥正常功能。针对这一问题，目前的解决方案主要是通过向mott材料中掺杂不同价态的金属离子来调节其相变温度。而这种方式对材料相变温度的调节范围有限，通常在10k以内，因此既不能显著降低二氧化铌器件相变消耗的能量，也不能解决二氧化钒器件在电路高温状态下无法正常工作的问题。

3、通过对多种晶体材料进行周期性地排列，就可以获得超晶格材料。超晶格材料不仅能够有效融合不同组分的各种特征，同时由不同材料接触界面引起的应力、缺陷等也会赋予超晶格材料额外的特性。考虑到电路芯片工作温度通常在250k~450k的范围，而通过构建二氧化钒\二氧化铌超晶格材料则有望实现相变温度在500k左右的mott相变器件，从而有效解决mott材料当前在电路应用中面临的主要挑战。

技术实现思路

1、为了解决mott器件相变温度与电路芯片工作温度失配的问题，本发明提供了一种相变温度可调的超晶格mott相变器件，能够通过对超晶格参数的调整实现器件相变温度的大范围调节，从而使器件既能在电路芯片处于高温状态下正常工作，又能够有效降低器件相变过程消耗的能量。相较于传统的通过在mott材料中掺杂金属离子的相变温度调节方法，此发明有望大幅提升相变温度的调节范围，使其更适用于集成电路芯片。

2、本发明的相变温度可调的超晶格mott相变器件具体结构参见图1，包括单晶氧化铝基底，以及基底上由多层单晶二氧化钒薄膜和单晶二氧化铌薄膜交替层叠构成的超晶格薄膜，器件电极位于超晶格薄膜上，两个电极之间为超晶格平面沟道区。

3、本发明的超晶格mott相变器件整体生长在单晶氧化铝基底上，其晶格结构与二氧化钒和二氧化铌有较高匹配度，能够有效保证上层超晶格结构的生长质量；同时单晶氧化铝与硅衬底之间有较强的粘附力，能够作为超晶格器件可靠的基底。

4、在单晶氧化铝基底之上生长的二氧化钒\二氧化铌超晶格薄膜则是器件的核心功能区域，所述单晶二氧化钒薄膜和单晶二氧化铌薄膜是通过脉冲激光沉积法 (pld) 生长的薄膜，每层单晶二氧化钒薄膜或单晶二氧化铌薄膜的厚度为1~4 nm。一层单晶二氧化钒薄膜和一层单晶二氧化铌薄膜组成超晶格的一个周期，所述超晶格薄膜的周期数优选为2~5。所述超晶格薄膜中，最底层可以是单晶二氧化钒薄膜，也可以是单晶二氧化铌薄膜。两个电极之间的超晶格平面沟道区的长度优选为50~100 nm。

5、本发明还提供了上述相变温度可调的超晶格mott相变器件的一种制备方法，包括以下步骤：

6、1）通过脉冲激光沉积法在单晶硅衬底上制备单晶氧化铝基底；

7、2）通过脉冲激光沉积法在单晶氧化铝基底上交替生长单晶二氧化钒薄膜和单晶二氧化铌薄膜（底层为单晶二氧化钒薄膜或单晶二氧化铌薄膜均可），以一层单晶二氧化钒薄膜和一层单晶二氧化铌薄膜为一个周期，生长多个周期；

8、3）在顶层的单晶二氧化钒薄膜或单晶二氧化铌薄膜上制备电极，一般先通过光刻定义电极几何图形，再通过电子束蒸发生长金属电极。

9、上述步骤2）中，通过调节每个周期中单晶二氧化钒薄膜和单晶二氧化铌薄膜的厚度比来调节器件的相变温度，考虑到单层薄膜的厚度为1~4 nm，两种薄膜的厚度比调节范围为nbo2:vo2= 1:4 ~ 4:1。

10、在具体实施中，首先通过脉冲激光沉积 (pld) 法在单晶氧化铝基底上生长一层1~4 nm厚的单晶二氧化钒（或二氧化铌）薄膜，之后再次通过pld法生长一层1~4 nm厚的单晶二氧化铌（或二氧化钒）薄膜，两层单晶薄膜组成超晶格的一个周期；重复上述过程2~5次即可生成周期数为2~5的超晶格薄膜。通过这种方式得到的超晶格薄膜不仅能够有效融合其内部两种组分的特性，并且引入了多处存在应力的晶体界面，因此有望获得与原来组分，即二氧化钒和二氧化铌明显不同的相变温度，如图3所示，从而适配集成电路芯片的工作温度。最后，通过光刻在超晶格薄膜的表面制备图形化的电极，一般选择粘附性强的材料作为下层电极和电阻率低的材料作为上层电极组合为复合电极，优选为钛\铂(ti\pt)复合电极，其中底部钛电极的作用是作为黏附层，稳固超晶格薄膜与金属电极之间的连接，而顶部铂电极则主要是为了提升电极的电导率。两个电极之间为超晶格平面沟道区域，其长度优选为50~100 nm，两个电极之间的电压产生的焦耳热会引起沟道区域超晶格材料温度升高并导致mott相变，从而显著改变沟道区域的电阻。此外，通过调节超晶格薄膜每个周期中两种组分的比例、厚度等参数，本发明的超晶格薄膜有望实现相变温度的大幅度调节从而使其适用于各种工作环境。如果超晶格薄膜整体的相变温度较高，接近于纯净的二氧化铌，那么就降低每个超晶格周期中二氧化铌薄膜的厚度，同时提升二氧化钒薄膜的厚度，从而使整体的相变温度往更靠近二氧化钒的方向变化，即降低相变温度；反之则提升二氧化铌的厚度，降低二氧化钒的厚度来提升整体的相变温度。

11、本发明提供了一种相变温度可调的超晶格mott相变器件，通过pld法在氧化铝基底上交替生长二氧化钒和二氧化铌单晶薄膜获得的超晶格薄膜不仅能够有效融合两种材料的相变特性，并且超晶格中引入的多个存在应力的晶体界面也会影响材料的相变温度，因此本发明中提出的超晶格器件结构有望将mott材料的相变温度调节到与集成电路芯片工作环境相匹配的范围。相较于传统的离子掺杂调节相变温度的方式，本发明能够通过改变超晶格器件的具体结构参数来提供更大的相变温度调节范围，不仅能够大幅度降低mott器件过程中的能量消耗，还能够确保其在集成电路芯片中正常稳定的工作效果，对于神经形态器件的进一步发展和更广泛应用具有重要意义。

技术特征：

1.一种相变温度可调的超晶格mott相变器件，其特征在于，包括单晶氧化铝基底，以及在单晶氧化铝基底上由多层单晶二氧化钒薄膜和单晶二氧化铌薄膜交替层叠构成的超晶格薄膜，器件电极位于超晶格薄膜上，两个电极之间为超晶格平面沟道区。

2.如权利要求1所述的相变温度可调的超晶格mott相变器件，其特征在于，所述单晶二氧化钒薄膜和单晶二氧化铌薄膜是通过脉冲激光沉积法生长的薄膜。

3.如权利要求1所述的相变温度可调的超晶格mott相变器件，其特征在于，每层单晶二氧化钒薄膜或单晶二氧化铌薄膜的厚度为1~4 nm。

4.如权利要求1所述的相变温度可调的超晶格mott相变器件，其特征在于，一层单晶二氧化钒薄膜和一层单晶二氧化铌薄膜组成超晶格的一个周期，所述超晶格薄膜的周期数为2~5。

5.如权利要求1所述的相变温度可调的超晶格mott相变器件，其特征在于，所述超晶格薄膜中，最底层为单晶二氧化钒薄膜或单晶二氧化铌薄膜。

6.如权利要求1所述的相变温度可调的超晶格mott相变器件，其特征在于，所述电极为钛\铂复合电极。

7.如权利要求1所述的相变温度可调的超晶格mott相变器件，其特征在于，所述超晶格平面沟道区的长度为50~100 nm。

8.一种制备权利要求1~7任一所述的相变温度可调的超晶格mott相变器件的方法，包括以下步骤：

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤2）通过调节每个周期中单晶二氧化钒薄膜和单晶二氧化铌薄膜的厚度比来调节器件的相变温度。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，单晶二氧化钒薄膜和单晶二氧化铌薄膜的厚度比在1:4 ~ 4:1范围。

技术总结
本发明公开了一种相变温度可调的超晶格Mott相变器件，包括单晶氧化铝基底及其上由多层单晶二氧化钒薄膜和单晶二氧化铌薄膜交替层叠构成的超晶格薄膜，器件电极位于超晶格薄膜上，两个电极之间为超晶格平面沟道区。通过PLD法在氧化铝基底上交替生长二氧化钒和二氧化铌单晶薄膜获得的超晶格薄膜不仅能够有效融合两种材料的相变特性，所引入的多个存在应力的晶体界面也会影响材料的相变温度，可以将Mott材料的相变温度调节到与集成电路芯片工作环境相匹配的范围。相较于离子掺杂调节相变温度的方式，本发明能够提供更大的相变温度调节范围，大幅度降低Mott器件的能量消耗，确保正常稳定的工作效果，对于神经形态器件的发展和广泛应用具有重要意义。

技术研发人员：杨玉超,路英明,黄如
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11