[发明专利]一种高状态比的无机薄膜电双稳器件及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子器件和功能薄膜材料技术领域，具体涉及一种具有高状态比的、电可擦写的无机薄膜电双稳器件及其制作方法。

技术背景

在电子器件中，电阻开关(Resistive Switching)器件是特别引人注目的一类器件。这种器件的电阻值可以有二种不同的稳定状态，即高电阻状态和低电阻状态。如果高电阻状态定义为“关状态”或者“擦除状态”，那么低电阻状态就可以相应地定义为“开状态”或者“写入状态”。衡量电阻开关器件性能好坏的一个重要指标是二种状态的电阻值之比，即状态的开关比(亦称状态比)。尽管对于不同的应用领域，对器件状态比的要求可以不同，原则上，器件的状态比越大越好。

在前一份发明专利中，我们介绍了一种可逆的无机薄膜电双稳器件，器件为Cu-CN-Al结构。其中的Cu和Al作为二端器件的电极；CN为功能无机介质层。这种器件具备稳定的可擦写、可读出性能。([1]徐伟，唐佳其，季欣，  一种可擦写、可读出的无机薄膜电双稳器件及其制备方法，  发明专利申请号200710044248.8)

本发明是前一个发明的拓展，并提高了性能指标。

发明内容：

本发明的目的在于提出一种具有高状态比的无机薄膜电双稳器件及其制作方法。这种器件具备电可擦写、可读出功能。

本发明提出的高状态比的无机薄膜电双稳器件，采用Ag-CN1-Al夹层结构，如图1所示。其中，二端的Ag和Al作为电极；中间的CN1为无机介质层，是功能介质层，具体是由真空热蒸发沉积的硫氢酸钾薄膜与部分银底电极反应获得的薄膜。

本发明器件的制备步骤如下：在真空镀膜机中，以绝缘的基板(比如：载波片)为基底，采用一掩膜，依次用真空热蒸发方法沉积较厚的银膜、硫氰酸钾薄膜以及铝膜。薄膜的面积大小和形状由特定的掩膜控制。银膜的厚度为150～300纳米，硫氰酸钾薄膜的厚度为5～50纳米，铝膜的厚度为80～150纳米。

在制备薄膜器件的过程中，银与硫氰酸钾发生反应，自发形成一层复合功能介质层CN1，厚度为10～200纳米。剩余的、未反应的银膜作为底电极。

本发明提出的高状态比的无机薄膜电双稳器件(Ag-CN1-Al)具有二种不同的电阻态(高电阻态和低电阻态)，高阻态和低阻态之间用外加电压信号来驱动可逆转换。  在银电极接地，铝电极接正极的情况下：反向脉冲电压激发后，器件处于低电阻态，相当于写入状态，即“1”态；正向电压脉冲信号激发后，器件处于高电阻态，相当于擦除状态，即“0”态。二种状态的可逆转换通过交替施加正反向电压脉冲来实现。二种状态用较低的电压信号来读出。正向擦除电压通常采用1～4伏，反向写入电压通常采用-1～-4伏；读取电压数值的绝对值较低，通常采用0.1～0.6伏。

中间功能介质层厚度的变化以及沉积工艺对器件电特性参数会产生一定影响，但是不同器件的可逆电双稳特性是一致的。

本发明提出的无机薄膜电双稳器件稳定性很好，二种读出状态的电阻值比非常大，“写-读-擦-读”操作可以多次重复(参见图2)。这种薄膜器件可作为开关元件和电存储器件在信息处理和运算领域中应用。特别是，由于结构和工艺简单，成本低，在移动电话和MP3领域有实用价值。

附图说明

图1为高状态比的无机薄膜电双稳器件的结构示意图，Ag-CN1-Al.

图2为Ag-CN1-Al薄膜器件连续“读-写-读-擦”特性图示。其中，读取电压-0.1V，写入电压-2V，擦除电压2V。

图中标号：1为基底；2为底电极(Ag)；3为功能无机介质层(CN1)；4为顶电极(Al)。

具体实施方式

实施例，以Ag-CN1-Al器件为例进一步描述本发明。

器件Ag-CN1-Al的制备：

以清洁的载波片为基底，在10^-3Pa量级的压强下用真空热蒸发的方法依次蒸镀底电极(Ag)、硫氰酸钾(KSCN)和顶电极(Al)。银底电极的厚度大于150纳米，铝顶电极的厚度约100纳米，硫氰酸钾的厚度约10～30纳米。顶电极和底电极交叉重叠部分的面积约0.2平方毫米。

器件Ag-CN1-Al的电特性：

Ag-CN1-Al器件的“读-写-读-擦”特性用外加脉冲电压信号来实现。脉冲电压信号由电脑控制的HP33120函数发生器产生，用Keithley2400采集器件的电流信号。其中，Ag作为底电极接负极，Al作为顶电极接正极。测试过程在干燥的大气环境中进行。