[发明专利]基于非晶多元金属氧化物的柔性电阻式非易失性存储器

说明书

技术领域

本发明属于非易失性存储器领域，具体涉及一种以非晶多元金属氧化物作为电阻转变层，辅以延展性电极的柔性电阻式非易失性存储器。

背景技术

动态随机存储器(DRAM)是电子产业的核心技术，由于其高速操作而得到广泛的应用，但其断电后数据将会丢失。非易失性存储器可避免这一问题，闪存(flash memory)是其中一种已被广泛使用的非易失性存储器，但其集成密度及运行速度却远远低于DRAM。与之相比，目前正在研究开发中的电阻式随机存储器(RRAM)以其操作电压低、功耗小、擦写速度快、耐擦写、非破坏性读取、保持时间长、结构简单、与传统CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺相兼容等优点被认为是极具潜力的下一代非易失性存储器，从而被广泛研究。另一方面，柔性电子技术已成为全球电子产业界关注的新焦点并得到了迅速发展。柔性电子产品具备轻、薄与抗震的特性，因此将开创全新的应用领域，用以设计各种形状以及更贴近人体、易于使用的电子产品。所以，具有良好柔性的RRAM作为柔性电子学中的重要组件必将有广阔的应用前景和极大的需求。然而，目前RRAM研发技术中，更多采用多晶金属氧化物材料作为电阻转变层。而多晶材料存在非均匀的晶界缺陷以及晶粒，这会导致多晶薄膜在弯折应力作用下缺陷增多、薄膜变形，甚至产生裂痕。同时，尽管有机材料在柔性技术中发挥着举足轻重的作用，但是其稳定性与功能的可剪裁性均与无机材料存在着较大的差异。特别是对于高密度的RRAM存储器件，瞬间的高电流密度可能造成有机材料的破坏，从而对存储的可靠性造成巨大的影响。因此，电阻转变层材料的选取是柔性RRAM发展中至关重要的核心问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非晶多元金属氧化物的柔性电阻式非易失性随机存储器。一方面，这种器件表现出RRAM具有的优异的电阻转变特性：双稳态、非挥发、快速操作；另一方面，此器件具有全柔性的特征，具备良好的抗弯折性及机械抗疲劳性。

本发明实现以上特性的技术方案如下：

1.非晶多元金属氧化物的柔性电阻式非易失性随机存储器，包括具有延展性的衬底、底电极、顶电极以及位于两电极之间的可变电阻层，所述可变电阻层由非晶多元金属氧化物薄膜构成。

2.本发明所述柔性衬底由高分子聚乙烯对苯二酸脂PET塑料薄片构成。

3.本发明所述顶/底电极材料为常见的具有延展性的金属(如：Cu、Au、Pt、Al)或合金(如：Cu/Al、Al/Pt)；顶/底电极薄膜厚度为20nm；可采用热蒸发、溅射等薄膜生长技术制备。

4.本发明所述可变电阻层由非晶多元金属氧化物薄膜制成，包括铜铝氧CuAlO₂，铟镓锌氧InGaZnO；非晶氧化物薄膜厚度为40-60nm；可采用磁控溅射、脉冲激光沉积等薄膜生长技术制备。

本发明的有益效果：

本发明所选择的应用于柔性RRAM的非晶多元金属氧化物具有如下优点：(1)热稳定性好；(2)对制备技术依赖度较低且制备条件温和(如：可室温生长)；(3)电学特性可通过组分和掺杂实现调控；(4)柔性机械性能好，其中一些材料在弯折情况下电学输运特性可以保持稳定；(5)可大面积成膜且具有良好的表面平整度；(6)与多晶材料相比，结构均匀，晶界很少，弯折时受到晶界影响更小。上述非晶多元金属氧化物薄膜的优异特性，加之器件结构简单的特点，使得由其构成的RRAM器件具有很好的柔性，易于制备并可高密度集成。本发明所涉及的RRAM器件表现出良好的存储特性、抗弯折性及机械抗疲劳性；开关比高于100，写入和擦除电压保持一定的分离性，开关速度可达100纳秒；在经历连续多次大角度弯折后，器件运行稳定、存储性能没有退化、存储信息未丢失。表明本发明涉及的非晶多元金属氧化物适合发展高性能、柔性电阻式存储器，可以满足未来电子产品在可移植性、轻便化与便携性上的发展需求。

附图说明

图1为本发明实施例的柔性电阻式非易失性存储器的结构示意图。

图2为本发明实施例1Al/CuAlO₂/Cu结构的电流-电压测试特性曲线图。

图3为本发明实施例1Al/CuAlO₂/Cu存储器件在不同弯折角度下的高阻态和低阻态保持性质，其中未弯折情况下器件的长度为2.5cm。插图为柔性示意照片及弯折测试的示意图。

图4为本发明实施例1Al/CuAlO₂/Cu存储器件在弯折曲率半径为10mm条件下弯折次数达8.0×10⁴次的高阻态和低阻态保持性质。