一種有機材料阻變存儲元件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體存儲器，具體地說是一種有機材料作為存儲介質(zhì)的阻變存儲元件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體工藝水平的提高，信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體器件逐漸達到物理和技術(shù)的極限。迎接這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵在于尋找新材料和開發(fā)新的器件結(jié)構(gòu)。非揮發(fā)性存儲器在集成電路發(fā)展中扮演著越來越重要的角色。當(dāng)前，市場上的非揮發(fā)性存儲器(NVM)以閃存(Flash存儲器)為主流，但是該類存儲器讀寫速度低，開關(guān)壽命短，不能用于計算機中需要頻繁讀寫的主要存儲部件，并且其存儲機理是基于電荷存儲機制，因此，當(dāng)技術(shù)拓展到22 nm以下時，電子能夠存儲的數(shù)量將會劇烈減小(甚至只有幾個電子)，將會導(dǎo)致其數(shù)據(jù)保持特性遭遇極大的困難。因此人們致力于尋找下一代NVM器件的替代品，例如鐵電存儲器(FeRAM)、磁性隨機存儲器(MRAM)、相變隨機存儲器(PRAM)、阻變存儲器(RRAM)等。在這幾種新型的存儲器中，鐵電存儲器與磁性隨機存儲器在器件單元尺寸繼續(xù)縮小及提高存儲密度上遭遇了瓶頸，相變隨機存儲器因擦除電流過大而不適于商業(yè)化應(yīng)用，因此，具有良好微縮化前景的阻變存儲器受到越來越多的關(guān)注，在近些年引起了廣泛的研發(fā)熱潮。
[0003]阻變存儲器的基本結(jié)構(gòu)是金屬-介質(zhì)(絕緣體/半導(dǎo)體)-金屬的三明治結(jié)構(gòu)，其中間介質(zhì)材料一般采用金屬氧化物材料制成。阻變存儲器結(jié)構(gòu)簡單，制作工藝與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝兼容，開關(guān)速度快，完全滿足下一代高密度存儲器的要求，且易于三維集成，這也是受到產(chǎn)業(yè)界青睞的原因之一。到目前為止，已經(jīng)有多種材料被報道具有電阻轉(zhuǎn)變行為，可作為阻變存儲器的中間介質(zhì)材料，但是，現(xiàn)有的阻變存儲器還存在性能參數(shù)不穩(wěn)定，不適合商業(yè)化應(yīng)用的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的之一就是提供一種基于有機材料的阻變存儲元件，以解決現(xiàn)有的阻變存儲器存在性能參數(shù)不穩(wěn)定，不適合商業(yè)化應(yīng)用的問題。
[0005]本發(fā)明的目的之二就是提供一種上述有機材料阻變存儲元件的制備方法。
[0006]本發(fā)明的目的之一是這樣實現(xiàn)的:一種有機材料阻變存儲元件，其結(jié)構(gòu)包括由下至上依次排布的下電極層、阻變介質(zhì)層和上電極層；所述下電極層為ITO層，所述阻變介質(zhì)層為CH3NH3PbI3 _XC1J1，所述上電極層為Ag層或Al層。
[0007]優(yōu)選的，所述阻變介質(zhì)層的厚度為10nm~500nm。
[0008]更優(yōu)選的，所述阻變介質(zhì)層的厚度為30nm~200nm。
[0009]所述上電極層由若干均勾分布的直徑為50 μm~300 μπι的圓形電極膜構(gòu)成。
[0010]本發(fā)明的目的之二是這樣實現(xiàn)的:一種有機材料阻變存儲元件的制備方法，包括如下步驟:
a、選擇ITO玻璃作為襯底，襯底上的ITO層即為下電極層；將ITO玻璃依次置于丙酮、酒精和去離子水中超聲清洗，之后取出用氮氣吹干；
b、將ITO玻璃置于充滿氮氣的手套箱內(nèi)的旋涂機上，在手套箱內(nèi)將0.14-0.15 mol/L的PbCl2溶液、1.26-1.28 mol/L的PbI 2溶液和1.2-1.4 mol/L的甲基銨碘化物溶液混合在一起形成旋涂溶液，再在旋涂溶液中倒入二甲基亞砜和γ 丁內(nèi)酯的混合物作為助溶劑；其中，二甲基亞砜和γ 丁內(nèi)酯的體積比為3~4:7~9 ;
c、采用溶膠-凝膠法將步驟b中的旋涂溶液旋涂在ITO玻璃上，控制旋涂過程中的轉(zhuǎn)速及時間，在ITO玻璃的ITO層上形成CH3NH3PbI3_xClJl，之后退火；CH 3NH3PbI3_xClJ^P為阻變介質(zhì)層；退火溫度為90-120度，退火時間為20-40分鐘；
d、將形成CH3NH3PbI3— XC1J1且退火處理后的ITO玻璃置于真空蒸發(fā)生長室內(nèi)，借助掩膜版，在真空度為2X10 4Pa ~ 6X10 4Pa的條件下在CH3NH3PbI3_xCl3層上形成上電極層，所述上電極層的材料為Ag或Al。
[0011 ] 步驟C中，設(shè)置旋涂過程中的時間為80s，且通過設(shè)置使前20s的轉(zhuǎn)速為1000~1500r/min，后 60s 的轉(zhuǎn)速為 5500~6000 r/min。
[0012]步驟d中，掩膜版上均布有直徑為50 μπι~300 μπι的圓形孔。
[0013]通過對本發(fā)明所制備的有機材料阻變存儲元件進行疲勞性測試及保持特性測試，結(jié)果表明:本發(fā)明中的有機材料阻變存儲元件在經(jīng)過大于1000次的抗疲勞性循環(huán)測試之后，仍然能在兩種阻態(tài)(即高阻態(tài)和低阻態(tài))之間轉(zhuǎn)換，電阻值沒有明顯的變化，從而表明了本發(fā)明中的有機材料阻變存儲元件具有較強的抗疲勞性能，且在高阻態(tài)和低阻態(tài)都具有較好的保持特性。另外，通過對本發(fā)明中的有機材料阻變存儲元件進行電壓一電流特性測試表明:有機材料阻變存儲元件的高、低阻態(tài)下的電阻與阻抗值的比均大于10，表明有機材料阻變存儲元件具有開關(guān)效應(yīng)，并且其讀出電壓明顯低于寫入/擦除脈沖電壓，是一種非破壞性讀出阻變存儲記憶元件。本發(fā)明的有機材料阻變存儲元件的全部讀取一寫入一讀取一擦除操作都由電信號通過上電極層和下電極層上的引出線完成，沒有任何機械運動接觸，具有結(jié)構(gòu)簡單并可實現(xiàn)快速讀寫的特點。因此，本發(fā)明所制備的有機材料阻變存儲元件性能參數(shù)穩(wěn)定，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、非揮發(fā)、可快速讀寫、工作電壓低、低能耗、無運動部件、非破壞性讀出等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明中有機材料阻變存儲元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是對本發(fā)明實施例2所制備的有機材料阻變存儲元件進行電壓一電流特性測試后的電壓一電流關(guān)系示意圖。
[0016]圖3是與圖2對應(yīng)的電壓與電阻的關(guān)系示意圖。
[0017]圖4是對本發(fā)明實施例2所制備的有機材料阻變存儲元件進行抗疲勞性測試后所得的結(jié)果示意圖。
[0018]圖5是對本發(fā)明實施例2所制備的有機材料阻變存儲元件進行保持特性測試后所得的結(jié)果示意圖。
【具體實施方式】
[0019]實施例1，一種有機材料阻變存儲元件。
[0020]如圖1所示，本發(fā)明中有機材料阻變存儲元件的結(jié)構(gòu)包括由下至上依次排布的下電極層3、阻變介質(zhì)層2和上電極層I ;下電極層3為ITO (氧化銦錫)層，該ITO層一般可通過磁控濺射附著在玻璃6上，即:在制備本發(fā)明中的有機材料阻變存儲元件時，可通過購買現(xiàn)成的ITO玻璃(在玻璃上形成ITO層)來作為襯底，ITO玻璃即提供了下電極層3。ITO玻璃上的ITO層的厚度可以為10nm~500nm。阻變介質(zhì)層2為CH3NH3PbI3_XC1J1，阻變介質(zhì)層2的厚度可以設(shè)置為10nm~500nm，優(yōu)選的，可以設(shè)置為30nm~200nm。上電極層I 一般由若干均勾分布的直徑為50 μm~300 μπι的圓形電極膜構(gòu)成，上電極層I的材料可以為Ag或Al，上電極層I的厚度可以為50nm~200nm。
[0021]在下電極層3上接有下電極引線4，在上電極層I上接有上電極引線5，在上電極引線5和下電極引線4上施加相應(yīng)的電信號，可使該有機材料阻變存儲元件實現(xiàn)讀取一寫入一讀取一擦除等操作。
[0022]實施例2，一種有機材料阻變存儲元件的制備方法。
[0023]本實施例中有機材料阻變存儲元件的制備方法包括如下步驟:
a、選擇ITO玻璃作為襯底，襯底上的ITO層即為下電極層，ITO層的厚度為200nm。對ITO玻璃進行預(yù)處理:將ITO玻璃放在丙酮中用超聲波清洗I分鐘，然后放入酒精中用超聲波清洗I分鐘，再放入去離子水中用超聲波清洗5分鐘，之后取出，用高純(純度為99.99%及以上)氮氣(N2)吹干。
[0024]b、將步驟a中預(yù)處理后的ITO玻璃固定在手套箱中的旋涂機上，在手套箱內(nèi)充滿高純(純度為99.99%及以上)氮氣，在充滿高純氮氣的手套箱內(nèi)將0.14 mol/L的PbCl2S液、1.26 mol/L的PbI2溶液和1.3 mol/L的甲基銨碘化物溶液混合在一起形成旋涂溶液，再在旋涂溶液中倒入二甲基亞砜和γ 丁內(nèi)酯的混合物作為助溶劑；其中，二甲基亞砜和γ丁內(nèi)酯的體積比為3:7。
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