[发明专利]一种基于相变原理的忆阻器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于相变原理的忆阻器及其制备方法，属于微电子技术领域；其中，忆阻器包括：由下至上的基底、底电极、第一限制层、介质层、第二限制层以及顶电极；第一限制层和第二限制层的材料均包括二维原子晶体材料；介质层的材料包括相变材料；第一限制层和第二限制层用于对介质层的相变范围进行限制；二维原子晶体材料中的二维原子晶体具有较高的结构稳定性，在介质层两侧制备限制层能够为介质层在垂直方向上施加较大的应力，对介质层的相变范围进行限制，大大提高了忆阻器的稳定性以及各种阻态下的保持时间，能够使得相变材料的亚稳态状态更加稳定，成为稳态，进而使器件拥有更好的稳定阻态。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，更具体地，涉及一种基于相变原理的忆阻器及其制备方法。

背景技术

忆阻器(Memristor)是一个与磁通量和电荷量相关的无源电路元件，被认为是电阻、电容、电感之外的第四种电路基本元件。早在上世纪70年代，蔡少棠教授就从逻辑和公理的观点推断出这种元件的存在，但直到2008年，这种“丢失的器件”才首次被惠普实验室在单一的TiO₂器件中实现。忆阻器具有非易失、尺寸小、功耗低、多阻态、很好的CMOS兼容性等优异的性能，使之在存储和类脑神经计算等方面展现出巨大的潜力。

现有的基于相变原理的忆阻器件一般是具有顶电极、底电极以及阻变层的三明治结构，其开关过程利用电流产生的焦耳热，使得相变材料在组态较低的晶态与组态较高的非晶态之间转变。但是相变材料的相态较少、且在某相态下会随时间的推移而逐渐向着更稳定的相态相变，因此，传统的基于相变原理的忆阻器的阻飘系数较大，且随着相变材料选择的不同，其阻态也较少，限制了其在需要高稳定性的存储器、需要多阻态的类脑神经计算等方面的应用。此外，传统忆阻器厚度较厚，器件的机械延展性很差，同时限制了其在柔性及可穿戴设备上的应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于相变原理的忆阻器及其制备方法，用以解决现有忆阻器器件由于采用三明治结构，阻飘系数较大而导致的稳定性较差的技术问题。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于相变原理的忆阻器，

包括：由下至上的基底、底电极、第一限制层、介质层、第二限制层以及顶电极；

其中，第一限制层和第二限制层的材料均包括二维原子晶体材料；介质层的材料包括相变材料；第一限制层和第二限制层用于对介质层的相变范围进行限制。

进一步优选地，上述二维原子晶体为三氧化钼。

进一步优选地，介质层的厚度小于或等于10nm，此时，第一限制层和第二限制层为介质层引入纳米级限制，将介质层的相变范围限制在纳米级别。

进一步优选地，上述相变材料为硫系相变材料。

进一步优选地，上述基底的材料为：硅基氧化物、氮化物、铝基氧化物和氮化物中的一种或多种。

进一步优选地，上述基底材料为柔性材料。

进一步优选地，上述底电极和顶电极的材料为：金属材料或柔性导电材料。

进一步优选地，上述基于相变原理的忆阻器还包括：位于顶电极之上的保护层，用于隔绝空气和水汽；

上述保护层的材料为：氮化硅、氮化硼、聚甲基丙烯酸甲酯、氧化硅和氧化铝中的一种或多种。

第二方面，本发明提供了一种基于相变原理的忆阻器的制备方法，包括以下步骤：

S1、在基底上制备底电极；

S2、制备二维原子晶体材料，并将二维原子晶体材料转移至上述底电极上，形成第一限制层；

S3、在第一限制层上制备相变材料，形成介质层；