[发明专利]一种二维材料异质结的忆阻器及其制备方法

说明书

本发明属于微电子技术领域，公开了一种二维材料异质结的忆阻器及其制备方法，该忆阻器自下而上包括衬底、底电极层、二维材料异质结层及顶电极层，其中，所述二维材料异质结层作为中间介质层，是由两种不同的金属硫化合物构成的两层叠层结构，该叠层结构中的每一层对应其中一种金属硫化合物。本发明通过对器件所采用的关键功能层材料及器件整体结构设计等进行改进，与现有技术相比，完全基于二维材料构建了新型忆阻器，颠覆了传统的MIM结构，具有较低的工作电压、抗疲劳性和循环稳定特性；并且，该忆阻器在模拟神经元传递信息上表现出与神经突触传递信息高度的相似性，在未来类脑结构开发上具有极大的应用前景。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，更具体地，涉及一种二维材料异质结的忆阻器及其制备方法。

背景技术

1971年美国加州伯克利大学蔡少棠教授从物理学对称性角度大胆预测，除了已知的电阻、电容和电感三种基本电路无源元件之外，还应存在第四种基本元件“忆阻器”：该元件的电阻值依赖于所输入电流或电压的历史，即具有记忆特性。时隔37年，惠普实验室的工程师在《自然》杂志上宣布首次物理上发现了第四种基本电路元件，并旋即引发了全球电子行业的极大关注。

尽管忆阻器的出现引发了世界范围的研究热潮并取得了许多重要进展，但有关忆阻器的研究还面临着诸多挑战。现有忆阻器的整体性能水平距离实际应用要求(如高密度海量阻变存储器、人工神经元电路等)还有相当的差距，还难以满足工业应用中的小尺寸(纳米级)、低能耗(低电压、低电流)、高速率、高稳定性、长寿命等要求，尤其是其中的小尺寸和低能耗等要求，是扩展忆阻器应用必须要攻克的技术要点。

目前国内外主要围绕基于金属/绝缘体/金属(MIM)三明治架构的忆阻器展开研究。传统的绝缘性材料和金属氧化等和各金属电极材料是当前主要研究对象，研究历史较长，技术成熟度较高，其忆阻介质层主要包括二元金属氧化物、钙钛矿型复杂氧化物等绝缘体材料。然而由于材料本身在机械、光学等方面的局限性，难以满足未来柔性、透明等方面的应用要求，同时还面临着器件结构尺寸、稳定性和工作电压等诸多挑战。

此外，新兴纳米功能材料热别是二维纳米材料的应用为实现高性能、超薄柔性透明忆阻器带来了契机。然而目前二维材料主要是用来改进传统MIM型忆阻器中某些材料功能，如引入石墨烯、氧化石墨烯、单层二硫化钼等能显著提高忆阻器性能。目前尚未有人提供完全基于二维材料构建新型忆阻器的技术方案。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种二维材料异质结的忆阻器及其制备方法，其中通过对器件所采用的关键功能层材料及器件整体结构设计、以及制备方法的整体流程工艺设计等进行改进，与现有技术相比，完全基于二维材料构建了新型忆阻器，颠覆了传统的MIM结构，具有较低的工作电压、抗疲劳性和循环稳定特性；并且，该忆阻器在模拟神经元传递信息上表现出与神经突触传递信息高度的相似性，在未来类脑结构开发上具有极大的应用前景。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种二维材料异质结的忆阻器，其特征在于，自下而上包括衬底、底电极层、二维材料异质结层及顶电极层，其中，所述二维材料异质结层作为中间介质层，厚度为1-50nm，是由两种不同的金属硫化合物构成的两层叠层结构，该叠层结构中的每一层对应其中一种金属硫化合物。

作为本发明的进一步优选，所述二维材料异质结层是由金属叠层结构在氧化性的硫蒸气中直接硫化后形成的；所述金属叠层结构包括两层单质金属结构，这两层单质金属结构中每一层所含的金属元素种类互不相同。

作为本发明的进一步优选，直接硫化的温度为500-1000℃，保温时间为1～30min；优选的，所述二维材料异质结层的厚度为10nm，直接硫化的温度为550℃，保温时间不超过10分钟。

作为本发明的进一步优选，所述两种不同的金属硫化合物具体为两种不同的过渡金属硫化物；优选的，所述过渡金属硫化物为硫化锌、硫化银、硫化钛、硫化镉、硫化亚铜、硫化锗、硫化镉、硫化钨、及硫化钼中的任意2种。