一種整流特性可控的二極管及其制造和操作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種二極管，包括：第一電極和第二電極；電介質(zhì)材料層，所述第一電極和第二電極之間，所述電介質(zhì)材料具有雙極型電致阻變效應(yīng)；其中所述第一電極與所述電介質(zhì)材料層呈肖特基接觸，構(gòu)成第一肖特基結(jié)；所述第二電極與所述電介質(zhì)材料層呈肖特基接觸，構(gòu)成第二肖特基結(jié)，其中，所述第一肖特基結(jié)的整流方向與所述第二肖特基結(jié)的整流方向相反。本發(fā)明還提供了一種該二極管的制造方法和操作方法。本發(fā)明提供的二極管整流特性可控。
【專利說明】
一種整流特性可控的二極管及其制造和操作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種二極管，尤其涉及整流特性可控的二極管。
【背景技術(shù)】
[0002]二極管是非常常見的電子元器件，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各種電路之中。但是，自從二極管發(fā)明至今，在通常的電路之中，只能使用整流方向和勢皇高度特定的二極管。在為了一種特定電路而考究二極管的各項(xiàng)指標(biāo)(如閾值電壓，擊穿電壓等)時(shí)，也只能選取已有的特定成品，不能根據(jù)自己的需求實(shí)現(xiàn)最精確的定值。
[0003]然而，在很多電路中，都需要切換二極管的整流方向。為了實(shí)現(xiàn)二極管整流方向的切換，現(xiàn)有技術(shù)中通常使用更多的元器件(如整流器中常見的交流橋式整流電路)組成較復(fù)雜的功能電路模塊來實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]因此，本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種整流特性可控的二極管。
[0005]本發(fā)明提供了一種二極管，包括:
[0006]第一電極和第二電極；
[0007]電介質(zhì)材料層，位于所述第一電極和第二電極之間，所述電介質(zhì)材料具有雙極型電致阻變效應(yīng)；
[0008]其中所述第一電極與所述電介質(zhì)材料層呈肖特基接觸，構(gòu)成第一肖特基結(jié)；所述第二電極與所述電介質(zhì)材料層呈肖特基接觸，構(gòu)成第二肖特基結(jié)，
[0009]其中，所述第一肖特基結(jié)的整流方向與所述第二肖特基結(jié)的整流方向相反。
[0010]根據(jù)本發(fā)明提供的二極管，其中所述電介質(zhì)材料層包括內(nèi)部缺陷或離子，其在電場下定向移動(dòng)聚集在所述電介質(zhì)材料層的一側(cè)。
[0011]根據(jù)本發(fā)明提供的二極管，其中，所述二極管在被施加第一方向的翻轉(zhuǎn)電壓后，所述第二肖特基結(jié)被破壞，所述二極管呈現(xiàn)為所述第一肖特基結(jié)的整流特性；以及在被施加第二方向的翻轉(zhuǎn)電壓后，所述第一肖特基結(jié)被破壞，所述二極管呈現(xiàn)為所述第二肖特基結(jié)的整流特性。
[0012]根據(jù)本發(fā)明提供的二極管，其中，所述二極管在被施加第一方向的翻轉(zhuǎn)電壓后，具有第一整流方向；以及在被施加第二方向的翻轉(zhuǎn)電壓后，具有第二整流方向。
[0013]根據(jù)本發(fā)明提供的二極管，其中，所述二極管的反向擊穿電壓和勢皇隨與其對應(yīng)的第一方向或第二方向的翻轉(zhuǎn)電壓的增大而增大。
[0014]根據(jù)本發(fā)明提供的二極管，其中，所述二極管的反向擊穿電壓和勢皇隨與其對應(yīng)的第一方向或第二方向的翻轉(zhuǎn)電壓的施加時(shí)間的增加而增大。
[0015]根據(jù)本發(fā)明提供的二極管，其中，所述第一電極和第二電極至少其中之一的面積與所述電介質(zhì)材料層的面積的比例大于等于70%。
[0016]根據(jù)本發(fā)明提供的二極管，其中，所述第一電極和第二電極的面積各自與所述電介質(zhì)材料層的面積的比例均大于等于70%。
[0017]本發(fā)明還提供了一種制造上述二極管的方法，包括:
[0018]形成第一電極；
[0019]在所述第一電極上沉積電介質(zhì)材料層，使電介質(zhì)材料層與所述第一電極呈肖特基接觸；
[0020]在電介質(zhì)材料層上沉積第二電極，使第二電極與所述電介質(zhì)材料層呈肖特基接觸。
[0021]根據(jù)本發(fā)明提供的制造方法，其中所述制造方法在0°C到150°C下進(jìn)行。
[0022]本發(fā)明還提供了一種二極管的操作方法，包括:
[0023]對所述二極管施加第一方向的翻轉(zhuǎn)電壓，使所述二極管具有第一整流方向；或
[0024]對所述二極管施加第二方向的翻轉(zhuǎn)電壓，使所述二極管具有第二整流方向。
[0025]根據(jù)本發(fā)明提供的方法，還包括，當(dāng)需要增加所述二極管的反向擊穿電壓和勢皇時(shí)，增大第一方向或第二方向的翻轉(zhuǎn)電壓，或增加第一方向或第二方向的翻轉(zhuǎn)電壓的施加時(shí)間。
[0026]本發(fā)明提供的二極管，其整流特性可控，在外加翻轉(zhuǎn)電場的作用下，能夠非易失地改變其整流方向、勢皇高低和反向擊穿電壓的大小。另外，本發(fā)明提供的二極管結(jié)構(gòu)簡單，可以方便的應(yīng)用于各種集成電路。
【附圖說明】
[0027]以下參照附圖對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明，其中:
[0028]圖1為根據(jù)本發(fā)明的二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2a_圖2c示出了本發(fā)明提供的二極管的工作過程；
[0030]圖3a-圖3b示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的二極管forming過程的1-V曲線；
[0032]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的二極管的1-V曲線；
[0033]圖6示出了不同的正向翻轉(zhuǎn)電壓所對應(yīng)的反向擊穿電壓；
[0034]圖7示出了不同的負(fù)向翻轉(zhuǎn)電壓所對應(yīng)的反向擊穿電壓；
[0035]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]電致阻變效應(yīng)是一種電介質(zhì)材料在電場作用下產(chǎn)生可逆的非易失性電阻變化的效應(yīng)。在很多過渡金屬氧化物等材料中都有發(fā)現(xiàn)了電致阻變效應(yīng)。近年來備受關(guān)注的阻變存儲(chǔ)器就是利用這種具有電致阻變效應(yīng)的電介質(zhì)材料的電致阻變效應(yīng)而工作的。
[0037]電介質(zhì)材料的電致阻變效應(yīng)通?？梢苑譃殡p極型與單極型兩種，其區(qū)別在于電介質(zhì)材料是否可以在同一方向的電壓下完成高、低阻態(tài)的相互轉(zhuǎn)換。如果可以，則稱其為單極型電致阻變；否則，如果只能在兩個(gè)相反方向的電壓下才能實(shí)現(xiàn)高、低阻態(tài)的相互轉(zhuǎn)變，則稱其為雙極型電致阻變。
[0038]而本發(fā)明中，利用了這種具有雙極型電致阻變效應(yīng)的電介質(zhì)材料，并將其與兩個(gè)電極分別構(gòu)成肖特基接觸，從而形成了一種整流特性可控的二極管。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種整流特性可控的二極管，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括具有雙極型電致阻變效應(yīng)的電介質(zhì)材料層300以及第一電極100和第二電極200。其中該電介質(zhì)材料層300夾在第一、第二電極100和200之間，且被制造成分別與第一、第二電極100和200形成肖特基接觸，從而構(gòu)成第一、第二肖特基結(jié)110和210。第一、第二電極100和200的材料可以相同也可以不同，但其材料必須選擇為使得第一、第二肖特基結(jié)110和210的整流方向相反，即兩個(gè)肖特基結(jié)110和210的整流方向均朝向電介質(zhì)層或者均朝向電極。
[0040]下面，參照圖2a-圖2c說明本發(fā)明提供的二極管的工作過程。
[0041]具有電致阻變效應(yīng)的各種材料的電致阻變的機(jī)制并不完全一致，本領(lǐng)域研究人員也提出了眾多的阻變機(jī)制模型，但基本可以都可以總結(jié)成材料中的缺陷(諸如氧空位等)或離子在電場下產(chǎn)生定向移動(dòng)的結(jié)果。而本發(fā)明正是利用了具有雙極型電致阻變效應(yīng)的電介質(zhì)材料中缺陷或離子的這種定向移動(dòng)效應(yīng)而獲得了整流特性可控的二極管。
[0042]如圖2a所示，當(dāng)二極管剛剛被制成的初始狀態(tài)下，電介質(zhì)材料層300內(nèi)部的缺陷或離子(如圖2a中的空心圓圈所示)在厚度方向上均勻地分布。
[0043]如圖2b所示，當(dāng)X方向(由第一電極100指向第二電極200)的電壓達(dá)到足夠的強(qiáng)度后，電介質(zhì)材料層300內(nèi)部的缺陷或離子會(huì)在電場下定向移動(dòng)聚集在電介質(zhì)材料層300的某一側(cè)。對于不同的電解質(zhì)材料層300而言，其缺陷或離子的極性可能不同，因此其在電場作用下移動(dòng)的方向也可能不同，在此為了方便地解釋，圖2b中假設(shè)缺陷或離子沿X方向移動(dòng)到電介質(zhì)材料層300的靠近第二電極200的一側(cè)。移動(dòng)到第二電極200附近的缺陷或離子會(huì)破壞第二電極200與電介質(zhì)材料層300之間形成的第二肖特基結(jié)210，而使第二電極200與電介質(zhì)材料層300成為歐姆接觸。這時(shí)，會(huì)使另一側(cè)的第一肖特基結(jié)110的整流特性顯現(xiàn)出來。也就是說，二極管此時(shí)表現(xiàn)為第一肖特基結(jié)110的整流特性，其整流方向?yàn)榈谝恍ぬ鼗Y(jié)110的整流方向。設(shè)此時(shí)的二極管處于整流狀態(tài)I。
[0044]如圖2c所示，當(dāng)與X方向相反的y方向(由第二電極200指向第一電極100)的電壓達(dá)到足夠的強(qiáng)度后，靠近第二電極200的缺陷或離子會(huì)在電場下反向定向移動(dòng)聚集在電介質(zhì)材料層300的靠近第一電極100的一側(cè)，從而使被破壞的第二肖特基結(jié)210恢復(fù)為肖特基接觸。而移動(dòng)到第一電極100附近的缺陷或離子會(huì)破壞第一電極100與電介質(zhì)材料層300之間形成的第一肖特基結(jié)110，而使第一電極100與電介質(zhì)材料層300成為歐姆接觸。這時(shí)，會(huì)使另一側(cè)被恢復(fù)的第二肖特基結(jié)210的整流特性顯現(xiàn)出來。也就是說，二極管此時(shí)表現(xiàn)為第二肖特基結(jié)210的整流特性，其整流方向?yàn)榈诙ぬ鼗Y(jié)210的整流方向。設(shè)此時(shí)的二極管處于整流狀態(tài)2。
[0045]由于第一肖特基結(jié)110和第二肖特基結(jié)210的整流方向相反，因此二極管在整流狀態(tài)I和整流狀態(tài)2下的整流方向相反。
[0046]由上述的二極管工作過程可知，本發(fā)明提供的二極管的整流方向是可變的，可通過施加外加電場而翻轉(zhuǎn)整流方向。例如上文所述，可通過施加y方向的電場而使得二極管由整流狀態(tài)I變成整流狀態(tài)2。當(dāng)需要二極管工作在整流狀態(tài)I時(shí)，對其施加X方向的電場即可實(shí)現(xiàn)整流狀態(tài)2到整流狀態(tài)I的轉(zhuǎn)變。
[0047]在具有電致阻變效應(yīng)的電介質(zhì)材料中，缺陷或離子的在各個(gè)位置的聚集濃度并不會(huì)隨著外加電場的消失而改變，因此本發(fā)明提供的二極管的整流方向的翻轉(zhuǎn)是非易失的。
[0048]另外，在具有電致阻變效應(yīng)的電介質(zhì)材料中，聚集在一起的缺陷或離子也不會(huì)在較低的電場下移動(dòng)。因此，本發(fā)明提供的二極管能夠在較低的電壓下以穩(wěn)定的整流方向工作，而不會(huì)發(fā)生整流方向的翻轉(zhuǎn)。
[0049]上文中，為了方便地解釋，在圖2b中假設(shè)缺陷或離子沿X方向移動(dòng)到電介質(zhì)材料層300的靠近第二電極200的一側(cè)。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員通過本說明書公開的內(nèi)容進(jìn)行簡單推導(dǎo)即可知，對于相反的情況，即缺陷或離子沿與X方向相反的方向移動(dòng)到電介質(zhì)材料層300的靠近第一電極100的一側(cè)，二極管的整流方向依然是可控的，只不過這時(shí)二極管表現(xiàn)為第二肖特基結(jié)210的整流特性。
[0050]總而言之，當(dāng)對本發(fā)明提供的二極管施加一足夠大的第一翻轉(zhuǎn)電壓后，電介質(zhì)材料層300中的缺陷或離子會(huì)移動(dòng)到第一、第二肖特基結(jié)其中之一附近并破壞其肖特基接觸，從而使得二極管表現(xiàn)為第一、第二肖特基結(jié)中的另一個(gè)的整流特性。當(dāng)需要翻轉(zhuǎn)整流方向時(shí)，對二極管施加另一足夠大的、方向與第一翻轉(zhuǎn)電壓相反的第二翻轉(zhuǎn)電壓，即可使第一、第二肖特基結(jié)中被破壞的肖特基結(jié)恢復(fù)其肖特基接觸，并破壞第一、第二肖特基結(jié)中另一個(gè)的肖特基接觸，從而使二極管的整流方向翻轉(zhuǎn)。
[0051]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0052]本實(shí)施例提供一種二極管，其通過以下步驟制備:
[0053]I)在室溫下，即25°C左右，使用射頻磁控派射在IcmX Icm的方形載玻片襯底I上逐層沉積400nm的ITO (用作底電極層10)、80nm的T12 (用作電介質(zhì)材料層30)、50nm的ITO (用作頂電極層20)，得到如圖3a所示的結(jié)構(gòu)；
[0054]2)利用紫外光刻和反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕頂電極層20和電介質(zhì)材料層30，形成10X10的二極管陣列，每個(gè)二極管為100 μπιΧ 100 μπι的方形，相鄰二極管之間的間距約為900 μ m，這些分立的二極管400如圖3b所示(為清晰起見，圖3b中僅示出3個(gè))，它們共用一個(gè)底電極層10。
[0055]其中每一個(gè)二極管400的結(jié)構(gòu)如圖3b所示，包括具有雙極型電致阻變效應(yīng)的電介質(zhì)材料層300以及第一電極10和第二電極200。其中該電介質(zhì)材料層300夾在第一、第二電極100和200之間，且電介質(zhì)材料層300的面積與第二電極200的面積相等。其中電介質(zhì)材料層300由80nm厚的T12構(gòu)成，第一電極(底電極)100由400nm厚的ITO構(gòu)成，第二電極(頂電極)200由50nm厚的ITO構(gòu)成。
[0056]本發(fā)明提供的二極管的沉積過程優(yōu)選在低溫(溫度范圍從約0°C到約150°C )下進(jìn)行，這樣更有利于肖特基接觸的形成。然而，針對不同的電極材料和電介質(zhì)材料，適于形成肖特基結(jié)的溫度有所不同，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地根據(jù)所選擇的電極材料和電介質(zhì)材料而選擇合適的沉積溫度。
[0057]另外可以理解的是，射頻磁控濺射只是本發(fā)明中用來形成材料層的優(yōu)選沉積方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以采用其他方式沉積材料層，如使用化學(xué)氣相沉積、等離子體氣相沉積、原子層沉積等，并對具體的沉積條件進(jìn)行適當(dāng)修改和調(diào)整，以滿足實(shí)際情況的需要。
[0058]上述二極管制備完成后，電介質(zhì)材料的電阻通常會(huì)很高，不能直接應(yīng)用，因此通常在使用之前需要經(jīng)歷一個(gè)forming過程，即對其施加不斷增大的某一方向的偏壓，使其出現(xiàn)一個(gè)隨電壓增加而電流急劇增大的過程(通常發(fā)生在電壓大于2V時(shí))。Forming完成后，二極管中的電介質(zhì)材料可具有電致阻變效應(yīng)。本實(shí)施例提供的二極管的Forming的具體過程如下:
[0059]以下均以從頂電極到底電極的方向?yàn)檎较颍瑥腛V開始對二極管施加逐漸增大的負(fù)方向電壓，電壓增大的速率為25mV/50ms。為了防止過電流損傷，在施加電壓的過程中對器件進(jìn)行1mA的限流保護(hù)。在施加電壓增大至-4.5V后，再以上述速率逐漸降低電壓，在電壓降低至OV時(shí)停止。
[0060]上述過程的1-V曲線如圖4所示，可以看到器件初始阻值很大，電流很小。在電壓增大至-4.4V左右時(shí)，出現(xiàn)了電流急劇增大的情況，由于上述限流保護(hù)的作用，電流被穩(wěn)定在10mA。而后在電壓下降的過程中，在-2.8V左右電流會(huì)急劇縮小，這種電流急劇減小的現(xiàn)象，可以作為forming成功完成的判據(jù)。
[0061]需要說明的是，本實(shí)施例中，forming過程的作用是對二極管進(jìn)行初始化，使其中的電介質(zhì)材料具有電致阻變效應(yīng)。然而，有些電介質(zhì)材料在制備結(jié)束后即具有電致阻變效應(yīng)，對于這樣的電介質(zhì)材料，forming過程并非必須的。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際選擇的電介質(zhì)材料而選擇是否需要進(jìn)行forming過程。
[0062]為了說明本發(fā)明提供的二極管的整流方向是可控的，對forming后的多個(gè)獨(dú)立的二極管400中的其中一個(gè)進(jìn)行了電學(xué)測試，測試結(jié)果如圖5所示。
[0063]如圖5中的所示，“狀態(tài)I”所對應(yīng)的曲線為forming后的二極管的1-V特性曲線。從該1-V特性曲線中可以明顯地看出，forming后的二極管在-2.5V至+1.2V的低壓范圍內(nèi)具有整流特性，其整流方向?yàn)檎较螂妷簩?dǎo)通，負(fù)方向電壓截止。如圖5中的“狀態(tài)I”曲線所示，二極管在整流狀態(tài)I下，其反向擊穿電壓約為-2.7V。
[0064]然后，在限流1mA的情況下對二極管施加一較大的正方向(與forming電壓方向相反)電壓(3.5V)，可以看到二極管進(jìn)入了整流狀態(tài)2，其1-V特性曲線如“狀態(tài)2”所對應(yīng)的曲線所示。從該1-V特性曲線中可以明顯看出，此時(shí)二極管在-1.4至+2.3V的低壓范圍內(nèi)具有整流特性，其整流方向?yàn)樨?fù)方向電壓導(dǎo)通，正方向電壓截止。如圖5中“狀態(tài)2”曲線所示，二極管在整流狀態(tài)2下，其反向擊穿電壓約為+2.5V。
[0065]之后，如果對整流狀態(tài)2下的二極管施加負(fù)方向的較大電壓，可以看到，二極管在施加了 -3.5V的較大電壓之后又會(huì)回到整流狀態(tài)I。
[0066]上述過程中電壓變化的速率始終為25mV/50ms。
[0067]由圖5所示的測試結(jié)果可知，本實(shí)施例提供的二極管在forming后，進(jìn)入了整流狀態(tài)1，此時(shí)二極管具有第一整流方向。在施加一個(gè)第二方向(與forming電壓方向相反)的較大電壓后，二極管進(jìn)入了整流狀態(tài)2，此時(shí)二極管具有第二整流方向。然后，在施加一個(gè)第一方向(與第二電壓方向相反)的較大電壓后，二極管會(huì)返回到整流狀態(tài)1，此時(shí)二極管翻轉(zhuǎn)到第一整流方向。之后，在施加一個(gè)第二方向的較大電壓后，二極管又會(huì)返回到整流狀態(tài)2，此時(shí)二極管又會(huì)被翻轉(zhuǎn)回第二整流方向。由此可見，對于本實(shí)施例提供的二極管而言，其整流方向是可控的，可通過施加一較大的翻轉(zhuǎn)電壓而翻轉(zhuǎn)二極管的整流方向。
[0068]需要說明的是，對于不同的電介質(zhì)材料和不同的電極材料，其構(gòu)成的二極管的翻轉(zhuǎn)電壓因材料的差異會(huì)有不同，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可通過簡單的ι-ν曲線測試而得到能夠使二極管的整流方向翻轉(zhuǎn)的翻轉(zhuǎn)電壓的合適的數(shù)值范圍。
[0069]此外，除了整流方向可控外，本發(fā)明提供的二極管的整流特性的可控性還體現(xiàn)在勢皇高低和反向擊穿電壓可控。通過控制翻轉(zhuǎn)電壓的大小及其施加時(shí)間的長短，可改變二極管的勢皇高低和反向擊穿電壓。
[0070]這是因?yàn)?，二極管的電介質(zhì)材料層內(nèi)的缺陷或離子運(yùn)動(dòng)的速度和時(shí)間可以隨外電場的強(qiáng)度與時(shí)間而變化。相應(yīng)的，電介質(zhì)材料層兩側(cè)界面附近的缺陷或離子的濃度也就可以隨翻轉(zhuǎn)電壓的強(qiáng)度及其施加時(shí)間而變化。
[0071]以如圖2c為例進(jìn)行說明，翻轉(zhuǎn)電壓越大，電介質(zhì)材料層300與第二電極200的界面附近的缺陷或離子的濃度越小。由于肖特基結(jié)的反向擊穿電壓會(huì)隨著肖特基結(jié)界面處的缺陷或離子的濃度的減小而增大，因此翻轉(zhuǎn)電壓越大，第二肖特基結(jié)210的反向擊穿電壓越大，最終表現(xiàn)為二極管的反向擊穿電壓越大。
[0072]同樣地以如圖2c為例進(jìn)行說明，翻轉(zhuǎn)電壓的施加時(shí)間越長，電介質(zhì)材料層300與第二電極200的界面附近的缺陷或離子的濃度越小。由于肖特基結(jié)的勢皇高度會(huì)隨著肖特基結(jié)界面處的缺陷或離子的濃度的減小而增大，因此翻轉(zhuǎn)電壓的施加時(shí)間越長，第二肖特基結(jié)210的勢皇高度越大，最終表現(xiàn)為二極管的勢皇高度越大。
[0073]因此，通過調(diào)控翻轉(zhuǎn)電壓的大小及其施加時(shí)間，可以調(diào)整二極管整流時(shí)的勢皇高低和反向擊穿電壓等參數(shù)?？梢岳眠@些參數(shù)的變化對二極管所在的應(yīng)用電路進(jìn)行更細(xì)微的性能調(diào)整。一項(xiàng)突出的優(yōu)點(diǎn)是，如果利用此二極管的反向擊穿效應(yīng)將其作為穩(wěn)壓二極管使用，其穩(wěn)壓值(也就是二極管的反向擊穿電壓值)是靈活可調(diào)的。
[0074]在上述實(shí)施例提供的二極管處于如圖5所示的狀態(tài)I的情況下，分別利用+2.1V、+1.8V、+1.5V的翻轉(zhuǎn)電壓來對二極管進(jìn)行從狀態(tài)I到狀態(tài)2的翻轉(zhuǎn)，二極管翻轉(zhuǎn)到狀態(tài)2后1-V曲線分別如圖6中的各條曲線所示。從中可以看到，被+2.1V、+1.8V、+1.5V的翻轉(zhuǎn)電壓翻轉(zhuǎn)后的二極管在狀態(tài)2下，其反向擊穿電壓分別為+1.7V、+1.5V、+1.3V。
[0075]另外，在二極管處于上述狀態(tài)2的情況下，分別利用-3.3V、_3.0V,-2.7V、_2.4V的翻轉(zhuǎn)電壓來對樣品進(jìn)行從狀態(tài)2到狀態(tài)I的翻轉(zhuǎn)，二極管翻轉(zhuǎn)到狀態(tài)I后其1-V曲線如圖7中的各條曲線所示。從中可以看到，被-3.3V、-3.0V、-2.7V、-2.4V的翻轉(zhuǎn)電壓翻轉(zhuǎn)后的二極管在狀態(tài)I下，其反向擊穿電壓分別為-2.4V、-2.lV、-1.8V、-1.6Vo
[0076]由此可見，翻轉(zhuǎn)電壓越大，翻轉(zhuǎn)后的二極管的反向擊穿電壓越大，通過控制翻轉(zhuǎn)電壓的大小，可實(shí)現(xiàn)對二極管的反向擊穿電壓的調(diào)整。
[0077]此外，對本實(shí)施例提供的二極管的進(jìn)一步電學(xué)測試表明，翻轉(zhuǎn)電壓越大，翻轉(zhuǎn)后的二極管的勢皇越高，翻轉(zhuǎn)電壓的施加時(shí)間越長，翻轉(zhuǎn)后的二極管的反向擊穿電壓越大、翻轉(zhuǎn)后的一.極管的勢皇越尚。
[0078]上述電學(xué)測試結(jié)果表明，本實(shí)施例提供的如圖3b中所示其中一個(gè)二極管的整流特性可控，在外加翻轉(zhuǎn)電場的作用下，能夠非易失地改變其整流方向、勢皇高低和反向擊穿電壓的大小。另外，發(fā)明人還對圖3b中所示的其它二極管進(jìn)行了類似的電學(xué)測試，測試結(jié)果均相似，表明如圖3b中所示的這種多個(gè)獨(dú)立的二極管400之間均一性較高，偏差小，性能較為穩(wěn)定。
[0079]除了圖3b中所示的這種結(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)二極管400’還可以采用如圖8所示的這種結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)二極管400’不但共用底電極層10’，還共用電介質(zhì)材料層30’，即多個(gè)分立的頂電極200’位于連續(xù)的、共用的電介質(zhì)材料層30’上，通過每個(gè)頂電極分別限定與其對應(yīng)的二極管400’。在這種結(jié)構(gòu)中，對于每個(gè)二極管400’而言，其頂電極的面積要小于電介質(zhì)材料層30’的面積。
[0080]圖8中所示的這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于無需對電介質(zhì)材料層30’進(jìn)行刻蝕，工藝更簡單，可有效降低制造成本。
[0081 ] 但是發(fā)明人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)的多個(gè)二極管存在性能不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。例如，發(fā)明人利用與上述實(shí)施例中所述的方法相類似的方法制造了與圖3b中的多個(gè)分立的二極管400結(jié)構(gòu)、尺寸相類似的多個(gè)二極管400’ (如圖8所示)，其不同之處僅在于電介質(zhì)材料層30’是連續(xù)的而未被刻蝕，使多個(gè)二極管400’共用電介質(zhì)材料層30’。在對該多個(gè)二極管400’的電學(xué)測試中發(fā)現(xiàn)，這種頂電極面積小于電介質(zhì)材料層30’面積的二極管的性能穩(wěn)定性稍差。這是因?yàn)?，在利用電場對單個(gè)器件的頂電極下方電介質(zhì)材料的缺陷或離子濃度分布進(jìn)行調(diào)整后，周圍區(qū)域的電介質(zhì)中的缺陷或離子會(huì)在擴(kuò)散作用影響下在再次改變頂電極下方的電介質(zhì)層中的缺陷或離子濃度分布，這種改變的持續(xù)時(shí)間和速度都難以預(yù)測和控制。
[0082]因此在成本允許的前提下，優(yōu)選使用電極的面積比例盡可能大的二極管結(jié)構(gòu)，例如頂、底電極/電介質(zhì)材料層的面積比均大于70%的二極管，更優(yōu)選為電極/電介質(zhì)材料層的面積比為100% (例如圖1中所示的第一電極100/電介質(zhì)材料層300，以及第二電極200/電介質(zhì)材料層300，又例如圖3b中所示的頂電極200/電介質(zhì)材料層300)，或大于100% (例如圖3b中所示的底電極10/電介質(zhì)材料層300)。
[0083]根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，其中電介質(zhì)材料層300的材料可為例如Ti02、Mg0、Zn0、CuOx, ZrO2, Al2O3的簡單氧化物，可以是諸如摻雜的 LaCaMnO、Pr i xCaMnO、SrT13, SrZr0j9復(fù)雜氧化物等、以及其他具有電致阻變效應(yīng)的氮化物、硫化物及有機(jī)材料等。優(yōu)選地，電介質(zhì)材料層為T12層或MgO層，最優(yōu)選為T1 2層。
[0084]根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，其中底電極層100和頂電極層200均可由導(dǎo)電材料來構(gòu)成，如各類金屬材料:Au、Pt、Al、Ag、Cu、W等；也可以由各種導(dǎo)電化合物構(gòu)成，如IT0、FT0，或 T1、Al、S1、Mo、Cr、Nb、Co、Fe、Pd、Ag、Au、Pt 的導(dǎo)電氮化物。
[0085]根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，如上述本發(fā)明所述的底電極層100、頂電極層200以及位于底電極層100和頂電極層200之間的金屬氧化物介質(zhì)層300可以采用濺射的PVD (物理氣相沉積)、ALD (原子層沉積)、CVD (化學(xué)氣相沉積)、等離子氣相沉積等工藝來制造，而厚度可以從及納米到幾微米之間。
[0086]綜上，本發(fā)明利用了有雙極型電致阻變效應(yīng)的電介質(zhì)材料層以及可以與之形成良好肖特基接觸的電極材料，提供了一種整流特性可控的二極管及其制備和操作方法。這種二極管可以在外加翻轉(zhuǎn)電場的作用下，非易失地改變其整流方向、勢皇高低和反向擊穿電壓的大小，從而使這一器件可以靈活的應(yīng)用于各種整流與穩(wěn)壓電路。并且如果在應(yīng)用過程中對器件進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娂?lì)，可以方便的改變整個(gè)電路的特性，使之可以調(diào)整至符合多種電學(xué)應(yīng)用，極大的拓展了現(xiàn)有的電路設(shè)計(jì)方法，可以靈活的用于各種整流、穩(wěn)壓、濾波電路。另外，由于本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)簡單，可以方便的應(yīng)用于各種集成電路。
[0087]最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種二極管，包括: 第一電極和第二電極； 電介質(zhì)材料層，位于所述第一電極和第二電極之間，所述電介質(zhì)材料具有雙極型電致阻變效應(yīng)； 其中所述第一電極與所述電介質(zhì)材料層呈肖特基接觸，構(gòu)成第一肖特基結(jié)；所述第二電極與所述電介質(zhì)材料層呈肖特基接觸，構(gòu)成第二肖特基結(jié)， 其中，所述第一肖特基結(jié)的整流方向與所述第二肖特基結(jié)的整流方向相反。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二極管，其中所述電介質(zhì)材料層包括內(nèi)部缺陷或離子，其在電場下定向移動(dòng)聚集在所述電介質(zhì)材料層的一側(cè)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二極管，其中，所述二極管在被施加第一方向的翻轉(zhuǎn)電壓后，所述第二肖特基結(jié)被破壞，所述二極管呈現(xiàn)為所述第一肖特基結(jié)的整流特性；以及在被施加第二方向的翻轉(zhuǎn)電壓后，所述第一肖特基結(jié)被破壞，所述二極管呈現(xiàn)為所述第二肖特基結(jié)的整流特性。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二極管，其中，所述二極管在被施加第一方向的翻轉(zhuǎn)電壓后，具有第一整流方向；以及在被施加第二方向的翻轉(zhuǎn)電壓后，具有第二整流方向。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二極管，其中，所述第一電極和第二電極至少其中之一的面積與所述電介質(zhì)材料層的面積的比例大于等于70%。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二極管，其中，所述第一電極和第二電極的面積各自與所述電介質(zhì)材料層的面積的比例均大于等于70%。7.—種制造根據(jù)權(quán)利要求1所述的二極管的方法，包括: 形成第一電極； 在所述第一電極上沉積電介質(zhì)材料層，使電介質(zhì)材料層與所述第一電極呈肖特基接觸； 在電介質(zhì)材料層上沉積第二電極，使第二電極與所述電介質(zhì)材料層呈肖特基接觸。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，其中所述制造方法在0°C到150°C下進(jìn)行。9.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的二極管的操作方法，包括: 對所述二極管施加第一方向的翻轉(zhuǎn)電壓，使所述二極管具有第一整流方向；或 對所述二極管施加第二方向的翻轉(zhuǎn)電壓，使所述二極管具有第二整流方向。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括，當(dāng)需要增加所述二極管的反向擊穿電壓和勢皇時(shí)，增大第一方向或第二方向的翻轉(zhuǎn)電壓，或增加第一方向或第二方向的翻轉(zhuǎn)電壓的施加時(shí)間。
【文檔編號】H01L21/329GK106033780SQ201510102940
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月9日
【發(fā)明人】孟慶宇, 趙宏武, 毛奇, 朱科建, 林偉堅(jiān)
【申請人】中國科學(xué)院物理研究所