[发明专利]一种基于无机分子晶体的忆阻器件、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种基于无机分子晶体的忆阻器件、制备方法及其应用。所述忆阻器件包括：自下而上依次排列的衬底、底电极层、介质层、活性金属层和顶电极层，其中所述介质层包括无机分子晶体薄膜、活性金属掺杂的无机分子晶体薄膜和二维无机分子晶体单晶中的一种。本发明中首次将无机分子晶体材料应用到忆阻器件中，填补了无机分子晶体在忆阻器研究中的空缺。本发明的忆阻器以无机分子晶体作为介质层，并通过活性金属扩散形成导电细丝，符合电化学金属化阻变机制。本发明的忆阻器具有置位电压低、功耗低、开关比大等优点。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，更具体地，涉及一种基于无机分子晶体的忆阻器件、制备方法及其应用。

背景技术

忆阻器是除常用的电容、电感、电阻以外第四种无源电子电路元件，于1971年由蔡少棠基于对称性理论预测提出。其特性在于电阻并非固定不变，而是与通过的电荷相关。除此之外，忆阻器具有可扩展性、开关阻态多、开关速度快、阻态保持时间长、功耗低等特点，这使其可以在集成电路中展示丰富的电路功能，在未来数据存储、开发人工突触以实现神经形态计算等领域有很大的应用潜力。

自忆阻器的概念被提出以来，直到2008年，惠普实验室报道了首个以Pt/TiO₂/Pt为结构的忆阻器器件。自此，忆阻器引起了全球相关研究人员极大关注，各种各样的材料体系中都发现了阻变特性，并提出了多种电阻切换机制。目前，丝状切换机制得到了较多的认可，它包括电化学金属化、价变机制、热化学机制三类。其中电化学金属化是基于活性金属氧化成金属离子的电化学反应和金属离子的物理迁移。当在顶电极上施加正电压时，顶电极层或活性金属层中的电化学活性金属被氧化成金属离子，并迁移至惰性底电极处被还原成金属原子。随着被还原的金属原子不断累积，最终在顶电极和底电极之间形成一个金属导电细丝，该金属导电细丝极大提高了器件的电导，将器件从高阻态切换到低阻态，实现器件的置位(SET)过程。器件的复位(RESET)过程与之类似，在顶电极上施加负电压，金属离子将回到顶电极层或活性金属层中，导致金属导电细丝破裂，使器件电导降低，重新回到高阻态。

目前，传统氧化物材料(如TiO₂、SiO₂等)、以二维材料为代表的新材料(如六方氮化硼、二维过渡金属硫族化合物等)等是主要研究对象；其中，将二维材料应用到忆阻器中停留在原子晶体的范围。因此，开发一种更理想的材料以应用到忆阻器中，进一步提升忆阻器的性能是目前研发人员关注的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于无机分子晶体的忆阻器件、制备方法及其应用，其目的在于以无机分子晶体作为介质层，通过活性金属扩散形成导电细丝，活性金属离子更易于从分子间扩散通过，金属导电细丝更容易形成或断开，具有置位电压低、功耗低、开关比大等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于无机分子晶体的忆阻器件，包括：自下而上依次排列的衬底、底电极层、介质层、活性金属层和顶电极层，其中所述介质层包括无机分子晶体薄膜、活性金属掺杂的无机分子晶体薄膜和二维无机分子晶体单晶中的一种。

优选地，所述无机分子晶体薄膜和二维无机分子晶体单晶的材料包括α-Sb₂O₃、α-Bi₂O₃、SbN₉、P₄Se₃、S₈、HgI₂、InI₃、GeI₄、SbI₃和TeCl₄中的一种。其中Sb₂O₃在α相时为分子晶体，Bi₂O₃在α相时为分子晶体。