一种选通管材料、选通管单元及其制备方法

本发明属于微纳米电子，更具体地，涉及一种选通管材料、选通管单元及其制备方法。

背景技术：

1、伴随着科技持续进步以及物联网时代的到来，信息数据呈现指数式增长，高速、高容量的非易失存储器受到青睐。相变存储器和阻变存储器等新型半导体存储器由于其在擦写速度、功耗以及三维堆叠方面的优势，成为学界产界研究的重点。为了进一步提高存储密度，三维交叉阵列是一个非常有效的技术方案，但这种方案会引起临近存储单元的非理想电流通路，带来误读、误操作等问题，限制集成规模的提升，同时非理想电流通路产生的静态功耗增加了芯片系统的负担。

2、将选通管与存储单元串联，集成到三维交叉阵列中，可以有效抑制漏电流，降低静态功耗，提高集成密度。众多选通管类型中，硫系阈值选通器件(ovonic thresholdswitch，ots)漏电流小、开关速度快、开态电流密度高以及可三维堆叠，是三维交叉结构的最佳选择。

3、ots选通管材料在外加电场作用下由于普尔-弗兰克效应，能带发生弯曲，被深陷阱能级束缚的载流子挣脱束缚所需势垒高度下降，即可跃迁到浅陷阱能级，导致电流增大，选通管打开；当外加电场撤去时，能带不再弯曲，自由态载流子重新被深陷阱能级束缚，电流迅速减小，选通管关闭。由此可见，ots选通管器件为易失性器件，在电压从零开始增加到阈值电压vth过程中，处于高阻态；当电压超过阈值电压vth后，处于低阻态；当电压减小且小于保持电压vh后，该器件自发回到高阻态，其中，阈值电压vth大于保持电压vh。

4、漏电流和热稳定性是ots选通管材料两个主要的性能指标。漏电流受ots选通管材料带隙调控，带隙越大，漏电流越小，选通范围越大；热稳定性和体系原子成键强弱相关，键强越大，ots选通管材料(工作状态为非晶)的原子运动能力降低，结晶激活能增大，晶化温度提升，导致热稳定性提高，可适用工作温度范围增大。

5、目前主流的硫系化合物选通管材料包括geastese、geassise等材料，均存在制备工艺复杂、组分多易分相、器件漏电流大、热稳定性差及含有毒元素as等问题。寻找一种组分简单、易于制备且性能优异的选通管材料成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种选通管材料、选通管单元及其制备方法，旨在解决现有的硫系化合物选通管材料组分复杂、器件漏电流大以及热稳定性差等问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种选通管材料，其化学通式为sixteya100-x-y，用于高阻态到低阻态的瞬间切换，当施加在选通管材料上的电信号低于电压阈值或者撤去电信号后选通管材料自动切换至高阻态；其中，a为掺杂元素，掺杂元素包括c、n、o及p中的至少一种，且10≤x≤60，40≤y≤90，0＜100-x-y≤50；掺杂元素a用于改善si-te选通管材料的漏电流、结晶温度和稳定性中的至少一种性能；x、y为元素的原子百分比。

3、进一步优选地，根据化学通式中不同的元素配比，采用化学气相沉积法、物理气相沉积法、溅射法、分子束外延法、原子层沉积法、脉冲激光沉积法或电化学法制备所述选通管材料。

4、第二方面，本发明提供了基于上述选通管材料制作的选通管单元，包括：第一电极层、第二电极层和位于所述第一电极层和所述第二电极层之间的选通管材料层；

5、第一电极层和第二电极层用于与选通管材料层接触并形成电流通道；选通管材料层用于高阻态到低阻态的瞬间切换。

6、进一步优选地，第一电极层和第二电极层均采用惰性电极材料，惰性电极材料为pt、w、au、ru、al、tin、tiw、ta、tan、iro2、ito及izo的一种或多种。

7、进一步优选地，第一电极层和第二电极层的厚度为5nm到200nm。

8、进一步优选地，选通管材料层的厚度为3nm到200nm。

9、第三方面，基于上述选通管单元，本发明提供了相应的制备方法，包括以下步骤：

10、在衬底上制备第一电极层；

11、在第一电极层上制备绝缘层，对绝缘层进行图像化处理得到孔结构，并暴露出部分第一电极层；

12、在暴露出的第一电极层上制备选通管材料层，填充孔结构；

13、在选通管材料层上制备第二电极层获得选通管单元。

14、进一步优选地，第一电极层、第二电极层和选通管材料层均采用化学气相沉积法、物理气相沉积法、溅射法、分子束外延法、原子层沉积法、脉冲激光沉积法或电化学法制备而成。

15、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下

16、有益效果：

17、本发明提供的一种选通管材料、选通管单元及其制备方法，其中，选通管材料的化学通式为为sixteya100-x-y，a为掺杂元素，掺杂元素包括c、n、o及p中的至少一种，由于选通管材料以si-te化合物为基体材料进行掺杂，基体材料中存在的一定数量的si-si单极键是硫系化合物选通管材料浅陷阱态的主要来源，掺杂元素a(c、n、o及p中的至少一种)的原子与si原子形成si-a键，部分取代si-si单极键，减少浅陷阱态，导致导电激活能减小，显著降低该选通管材料的漏电流；同时，较强的si-a键能够降低体系原子的运动能力，尤其阻碍si原子的扩散富集，进而提高选通管材料的热稳定性。利用本发明提供的选通管材料制备的选通管单元具有漏电流小、热稳定性高的优势。同时，由于该选通管单元是二端单元，可以垂直堆叠，所以能够完美兼容三维交叉阵列。

技术特征：

1.一种选通管材料，其特征在于，所述选通管材料的化学通式为sixteya100-x-y，用于高阻态到低阻态的瞬间切换，当施加在选通管材料上的电信号低于电压阈值或者撤去电信号后选通管材料自动切换至高阻态；其中，a为掺杂元素，掺杂元素包括c、n、o及p中的至少一种，且10≤x≤60，40≤y≤90，0＜100-x-y≤50；掺杂元素a用于改善si-te选通管材料的漏电流、结晶温度和稳定性中的至少一种性能；x、y为元素的原子百分比。

2.根据权利要求1所述的选通管材料，其特征在于，根据化学通式中不同的元素配比，采用化学气相沉积法、物理气相沉积法、溅射法、分子束外延法、原子层沉积法、脉冲激光沉积法或电化学法制备所述选通管材料。

3.基于权利要求1或2所述的选通管材料制作的选通管单元，其特征在于，包括：第一电极层、第二电极层和位于所述第一电极层和所述第二电极层之间的选通管材料层；

4.根据权利要求3所述的选通管单元，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层均采用惰性电极材料，惰性电极材料为pt、w、au、ru、al、tin、tiw、ta、tan、iro2、ito及izo的一种或多种。

5.根据权利要求3所述的选通管单元，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层的厚度为5nm到200nm。

6.根据权利要求3所述的选通管单元，其特征在于，所述选通管材料层的厚度为3nm到200nm。

7.基于权利要求3所述的选通管单元的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述第一电极层、第二电极层和选通管材料层均采用化学气相沉积法、物理气相沉积法、溅射法、分子束外延法、原子层沉积法、脉冲激光沉积法或电化学法制备而成。

技术总结
本发明提供了一种选通管材料、选通管单元及其制备方法，属于微纳米电子技术领域，选通管单元包括衬底以及依次堆叠于衬底上的第一电极层、选通管材料层和第二电极层；选通层材料为包括Si、Te及A的化合物，其中A为掺杂元素，且为C、N、O及P中的至少一种；选通管材料的化学通式为Si<subgt;x</subgt;Te<subgt;y</subgt;A<subgt;100‑x‑y</subgt;，其中x、y为元素的原子百分比，且10≤x≤60，40≤y≤90，0＜100‑x‑y≤50。本发明提供的选通管材料组分简单、无毒，且易于制备，通过进一步元素掺杂可以减小漏电流和提高热稳定性。

技术研发人员：程晓敏,李凯,缪向水
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15