[发明专利]基于锌离子脱嵌调节电阻的三端电化学器件

说明书

本发明提供了一种基于锌离子脱嵌调节电阻的三端电化学器件，包括：栅电极、源电极、漏电极以及存在于所述源电极与所述漏电极之间的沟道；其中，所述沟道由可嵌入和脱出锌离子从而实现电阻可逆调节的锌离子导体制成。通过在源电极与漏电极之间设置可嵌入和脱出锌离子的锌离子导体，并形成沟道，可基于沟道的锌离子浓度变化实现电阻的可逆调节。由于锌及锌离子导体在空气中较为稳定，且锌离子脱嵌过程所需电压较低、可逆性高，因此，本发明的三端电化学器件具备稳定性高、功耗低且可逆性高的优点。基于本发明的方案，有利于提升非易失性存储器等电化学器件的性能。

技术领域

本发明涉及电化学器件，特别是涉及基于锌离子脱嵌调节电阻的三端电化学器件。

背景技术

当前，先进半导体制程工艺已经进入5nm尺寸。对于5nm制程工艺而言，一方面，线宽已经接近物理极限，隧道电流大幅增加，短沟道效应突显，另一方面，复杂的制造工艺不仅使成本骤增，也让工艺进步的速度大幅放缓，仅通过更新工艺就使器件性能大幅提升的时代已经过去。因此传统逻辑芯片未来可能难以跟上计算需求的发展。在这种背景下，类脑计算(或神经形态计算)作为一种有望大幅减少能耗和计算耗时的模拟计算方式被提出。

随着类脑计算的深入发展，相关系统对于非易失性存储器以及人工突触的需求日益旺盛。2008年R.Stanley Williams等人提出依赖氧空位重新分布可以制备两端的非易失性存储器(忆阻器)，同时该文章验证了非易失性存储器在模仿突触功能的潜力。随后依赖电子-离子耦合输运的相关工作有了极大进展，例如，(1)氧空位：在ZnO、Ta₂O₅、CeO₂、WO₂、TiO₂、HfO₂等金属氧化物中，+2价的氧空位可以在外电场下重新分布，从而导致相分离，非易失地改变器件阻态；(2)银离子、铜离子：银、铜离子在电极处得到电子，发生还原反应生成金属单质，进而生成一条金属丝，改变器件阻态；(3)氢离子：氢离子由于较小的“离子半径”和质量，很容易进入材料晶格，进而可以对碳材料、金属氧化物材料等进行电化学掺杂，改变其阻态；(4)锂离子：与氢离子相似，存在外场时，锂离子可以通过可逆脱出-嵌入引起材料能带结构的改变，达到调控器件组态目的。特别是Li_xCoO₂、Li_xWO₃和Li_4+xTi₅O₁₂等材料，随着体相锂离子浓度的改变，这些材料可发生金属绝缘体相变，吸引了诸多关注。

尽管已经存在诸多基于电子-离子耦合过程的非易失性存储器或人工突触，但它们也存在各自问题：例如基于银离子或铜离子氧化还原反应的器件可逆性差(主要因为金属丝的完全氧化较难)，基于锂离子脱出-嵌入的器件功耗较高，且许多电极材料、电解质在空气气氛中不稳定。因此，寻找更稳定(水、氧不敏感)、功耗更低、可逆性更高的材料体系是提升相关器件性能的关键方法之一。

发明内容

本发明的一个目的是要克服现有技术中的至少一个技术缺陷，提供一种基于锌离子脱嵌调节电阻的三端电化学器件。

本发明一个进一步的目的是要提供一种具备稳定性高、功耗低且可逆性高的材料体系的三端电化学器件，提升非易失性存储器等电化学器件的性能。

本发明另一个进一步的目的是要提升三端电化学器件的安全性。

本发明又一个进一步的目的是要使三端电化学器件具有较高的开关比和较高的可逆性。

特别地，本发明提供了一种基于锌离子脱嵌调节电阻的三端电化学器件，包括：栅电极、源电极、漏电极以及存在于所述源电极与所述漏电极之间的沟道；其中，所述沟道由可嵌入和脱出锌离子从而实现电阻可逆调节的锌离子导体制成。