[发明专利]溶液处理的固体电解层器件和制造

说明书

技术领域

本发明涉及改进的电解器件。具体地，根据本发明，将通过相对高吞吐量/低温溶液沉积方法获得的高质量无定形金属或准金属(metalloid)硫属元素化物(chalcogenide)膜用作固态电解器件中的活性电解层。本发明还涉及制造该固态电解器件的处理。

背景技术

在固态电解器件中，固态电解材料通常包括掺杂Ag、Cu、Zn或Li的无定形硫属元素化物(最典型地，GeS₂、GeSe₂、As₂S₃、As₂Se₃)，其作用类似于离子(即Ag⁺、Cu⁺、Zn²⁺、Li⁺等)的优良导体。无定形硫属元素化物可以是二元化合物(即GeS_2-x、GeSe_2-x、As₂S₃、As₂Se₃)，或可以包含三种或更多元素(即Ge_1-xSn_xS_2-ySe_y、GeSb_xS_y、As_2-xSb_xS_3-ySe_y、GeSe_2-yTe_y等)。无定形硫属元素化物的掺杂通过共沉积或通过将金属或准金属电/热或UV扩散至预沉积的无定形硫属元素化物中来获得。UV扩散通常是优选的技术，并得到在材料中具有饱和的和均匀浓度的掺杂剂的系统(这取决于初始材料的化学计量)。未掺杂的和掺杂的硫属元素化物都具有很高的电阻(典型地对于30×30×30nm区域而言，＞1千兆欧姆)。

如果这样的掺杂的无定形硫属元素化物材料被夹在两种金属之间，并且其中一种金属是可反应的(即包含掺杂剂Ag、Cu、Zn、Li；以下称为阳极)，另一种金属是惰性金属(例如W、TiN、TaN、Al、Ni等；以下称为阴极)，则实现如下的电效果：

(a)在小正偏压(施加在阳极的偏压)的施加下，实现离子从阳极和固体电解材料向阴极扩散，并形成在阴极开始并向阳极建立的导电“金属”丝。只要所施加的偏压大于形成的“阈值”电压(这取决于材料和底电极，通常在0和1.0V之间)就出现这种情况。当所述丝被完全形成时，这将导致2个电极之间的短路。这导致很低的电阻状态(典型地＜1兆欧姆)。即使在去除了所施加的偏压之后，这种导电丝仍旧停留一段时间。所形成的丝(尽管名义上是永久的)倾向于扩散回电解质(没有所施加的偏压)，从而使得开态电阻率随时间增加(随温度升高增加越快)。典型地，On电阻是在编程期间的稳定状态电流的函数：R_on＝V_th/I_on，其中V_th是电沉积阈值(典型地小于形成的阈值电压)。典型的编程时间是50-100ns的量级或更快，但是根据包括无定形硫属元素化物的沉积的方法的各种因素可能更慢。

(b)当对阳极施加负偏压(并且导电丝已经存在)时，离子从导电丝移出返回到固体电解质并最终进入阳极。金属丝的断开可导致高电阻。典型地，对于时间＜100ns，清除整个金属丝并获得超高电阻。

图1中示出这些器件特性。图1示出Ag-Ge-S器件的电解器件特征。在很小的正电压(V_a＝0.2V)下，该器件切换至低电阻状态。在V_b＝-0.2V下，该器件切换至高电阻状态。V_a(导通电压)和V_b(关断电压)的范围从0至+/-1V，并取决于材料和阴极。固体电解存储器的ON电阻是程序电流的函数(即R_on＝V_th/I_on)。OFF电阻是固体电解质与界面处的双层的电阻率的函数。该器件通过在惰性和可氧化电极之间形成薄金属桥来导通。V_th是电沉积阈值，I_on是用于编程的导通电流(见Kozicki等的Programmable Metallization Cell Memory based on Ag-Ge-S andCu-Ge-S，NVMTS 2005，pp.83-9)。

下文是固体电解质材料的一些潜在应用：