本發(fā)明屬于存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種黑磷烯薄膜存儲(chǔ)器及其制備方法。

背景技術(shù)：

根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(ITRS)對(duì)集成電路領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，到2020年左右，集成電路的特征尺寸將縮小到10納米以下，這樣傳統(tǒng)的器件將面臨一系列來(lái)自技術(shù)層面和物理極限的挑戰(zhàn)。這時(shí)需要引入新的材料才能解決很多傳統(tǒng)器件無(wú)法解決的問題。二維晶體是由幾層單原子層堆疊而成的納米厚度的平面晶體，具有獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)以及磁學(xué)等特性，并有著自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，因此常見的二維材料如石墨烯、硅烯、二硫化鉬以及黑磷烯等，都受到了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。

黑磷烯具有高電子遷移率以及直接帶隙的性質(zhì)，由此其具有獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性能，受到國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的廣泛關(guān)注。黑磷烯隨其層數(shù)變化可調(diào)節(jié)直接帶隙，可按具體要求設(shè)計(jì)出理想的帶隙，該特性使其在光電子學(xué)領(lǐng)域會(huì)有很大潛力。黑磷烯層數(shù)減薄會(huì)加大有效質(zhì)量、帶來(lái)更多的缺陷，少層黑磷烯既可良好地應(yīng)用于光電元件領(lǐng)域，又不會(huì)因?yàn)榕c水和氧氣發(fā)生反應(yīng)而劣化。黑磷烯性質(zhì)優(yōu)異，但作為一種新型材料，對(duì)其研發(fā)還不夠深入，特別是在存儲(chǔ)器領(lǐng)域，因此，提供一種基于黑磷烯薄膜存儲(chǔ)器件是本領(lǐng)域的一個(gè)重要技術(shù)進(jìn)步。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種黑磷烯薄膜存儲(chǔ)器及其制備方法。

一種黑磷烯薄膜存儲(chǔ)器，由下至上依次包括襯底1、底電極2、黑磷烯薄膜層3和頂電極4，并將頂電極4覆蓋之外的黑磷烯薄膜層3用披覆層5覆蓋。該存儲(chǔ)器以黑磷烯薄膜層3作為存儲(chǔ)功能層。

優(yōu)選地，所述黑磷烯薄膜層3由單層或者多層黑磷烯薄膜構(gòu)成，總厚度為0.5nm～100nm；進(jìn)一步優(yōu)選為5nm～50nm。

優(yōu)選地，所述襯底1采用Al₂O₃材料；Al₂O₃材料的封裝可以有效保持黑磷烯材料的穩(wěn)定性。

所述底電極2為金屬導(dǎo)電薄膜或非金屬導(dǎo)電薄膜；優(yōu)選Ni/Au復(fù)合薄膜。

所述頂電極4為金屬導(dǎo)電薄膜或非金屬導(dǎo)電薄膜；優(yōu)選Ag、Cu或Ni的薄膜。

優(yōu)選地，所述披覆層5采用Al₂O₃材料；Al₂O₃材料的封裝可以有效保持黑磷烯材料的穩(wěn)定性。

優(yōu)選地，所述底電極2、頂電極4、披覆層5的厚度分別為5～500nm；進(jìn)一步優(yōu)選為20～80nm。

一種黑磷烯薄膜存儲(chǔ)器的制備方法，包括如下步驟：

(1)清洗襯底1；

(2)在襯底1上形成底電極2；

(3)在底電極2上形成黑磷烯薄膜層3；

(4)通過(guò)構(gòu)圖工藝在黑磷烯薄膜層3上形成頂電極4的圖形；

(5)在黑磷烯薄膜層3上形成頂電極4，得到存儲(chǔ)器單元；

(6)通過(guò)構(gòu)圖工藝在存儲(chǔ)器單元上側(cè)形成披覆層5的圖形；

(7)最后形成披覆層5，使其包覆頂電極4覆蓋之外的黑磷烯薄膜層3，得到所述存儲(chǔ)器。

所述步驟(3)中，采用轉(zhuǎn)移法將預(yù)先形成的黑磷烯薄膜轉(zhuǎn)移到底電極2上形成黑磷烯薄膜層3。

所述底電極2的形成、頂電極4的形成分別采用化學(xué)氣相沉積或者物理氣相沉積，優(yōu)選電子束蒸發(fā)技術(shù)。

所述披覆層5的形成分別采用化學(xué)氣相沉積或者物理氣相沉積，優(yōu)選原子層沉積技術(shù)。

步驟(4)中所述構(gòu)圖工藝具體包括：

(11)在黑磷烯薄膜層3上旋涂光刻膠層6覆蓋所述黑磷烯薄膜層3；

(12)通過(guò)曝光、顯影和剝離處理，形成頂電極4的圖形。

步驟(6)中所述構(gòu)圖工藝具體包括：

(11)在存儲(chǔ)器單元上側(cè)旋涂光刻膠層6覆蓋所述存儲(chǔ)器單元上側(cè)；

(12)通過(guò)曝光、顯影和剝離處理，形成披覆層5的圖形。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明的存儲(chǔ)器具有轉(zhuǎn)變速度快、讀寫電壓穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1制備的一種黑磷烯薄膜存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實(shí)施例1制備黑磷烯薄膜存儲(chǔ)器的制備流程圖。

圖3a至圖3f分別為實(shí)施例1制備黑磷烯薄膜存儲(chǔ)器過(guò)程中執(zhí)行各步驟后的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為實(shí)施例1制備的一種黑磷烯薄膜存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)性能測(cè)試結(jié)果。

圖5為實(shí)施例1制備的一種黑磷烯薄膜存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果。

圖6為實(shí)施例1制備的一種黑磷烯薄膜存儲(chǔ)器的轉(zhuǎn)變速度測(cè)試測(cè)試結(jié)果。

標(biāo)號(hào)說(shuō)明：1-襯底；2-底電極；3-黑磷烯薄膜層；4-頂電極；5-披覆層；6-光刻膠層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說(shuō)明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。

實(shí)施例1：

圖2為本實(shí)施例通過(guò)光刻構(gòu)圖工藝制備黑磷烯薄膜存儲(chǔ)器的流程圖，包括：

(01)Al₂O₃襯底清洗；

(02)沉積Ni/Au底電極層；

(03)轉(zhuǎn)移黑磷烯薄膜，得到黑磷烯薄膜層；

(04)通過(guò)光刻構(gòu)圖工藝形成頂電極圖形；

(05)沉積Ag頂電極層；

(06)去膠剝離技術(shù)，形成存儲(chǔ)單元；

(07)通過(guò)光刻構(gòu)圖工藝形成披覆層圖形；

(08)沉積Al₂O₃披覆層；

(09)去膠剝離形成披覆存儲(chǔ)單元。

得到黑磷烯薄膜存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由下至上依次包括襯底1、底電極2、黑磷烯薄膜層3和頂電極4，其中頂電極4覆蓋之外的黑磷烯薄膜層3用披覆層5覆蓋。

在具體實(shí)施上述方法時(shí)，預(yù)先形成的黑磷烯薄膜可以通過(guò)多種方法獲得。目前主要手段有：機(jī)械分離法、液相剝離法和化學(xué)合成法。本實(shí)施例中采用機(jī)械剝離法，其是通過(guò)對(duì)層狀材料施加機(jī)械力從而將其薄層材料分離出來(lái)的方法。具體地，剝離單層或多層黑磷烯的方法和轉(zhuǎn)移黑磷烯的方法均與現(xiàn)有技術(shù)相同，在此不作贅述。

下面以圖1所示的黑磷烯薄膜存儲(chǔ)器為例具體說(shuō)明本發(fā)明。

(1)使用電子束蒸發(fā)技術(shù)在Al₂O₃襯底上沉積Ni/Au底電極層，Ni/Au底電極層的厚度為80nm，如圖3a所示；

(2)利用轉(zhuǎn)移法在Ni/Au底電極層上形成黑磷烯薄膜層3，如圖3b所示，黑磷烯薄膜層3由15層黑磷烯薄膜構(gòu)成，每層的厚度為0.5nm，總厚度為7.5nm；

(3)通過(guò)旋涂的方式在黑磷烯薄膜層3上沉積光刻膠層6，如圖3c所示，然后通過(guò)曝光、顯影形成頂電極4的圖形；

(4)使用電子束蒸發(fā)技術(shù)在光刻膠層6上沉積Ag頂電極層，Ag頂電極層的厚度為50nm，去膠剝離得到頂電極4，構(gòu)成存儲(chǔ)器單元，如圖3d所示；

(5)通過(guò)旋涂的方式在存儲(chǔ)器單元上側(cè)沉積光刻膠層6，如圖3e所示，然后通過(guò)曝光、顯影形成披覆層5的圖形；

(6)使用原子層沉積技術(shù)在光刻膠層20上沉積Al₂O₃披覆層，披覆層5的厚度為50nm，去膠剝離得到披覆層5，構(gòu)成黑磷烯存儲(chǔ)器，如圖3f所示。

圖4是實(shí)施例1的Al₂O₃襯底/Ni-Au底電極/黑磷烯薄膜層/Ag頂電極/Al₂O₃披覆層結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)性能測(cè)試結(jié)果，從圖中我們可以看出我們看出制備的器件單元表現(xiàn)出了良好的存儲(chǔ)特性。Al₂O₃襯底/Ni-Au底電極/黑磷烯薄膜層/Ag頂電極/Al₂O₃披覆層結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)器件具有大的開關(guān)比(＞10⁴)，較低的工作電壓(＜2V)和工作電流(μA級(jí))。適用于下一代低功耗嵌入式以及分立式存儲(chǔ)設(shè)備的應(yīng)用。

圖5是實(shí)施例1的Al₂O₃襯底/Ni-Au底電極/黑磷烯薄膜層/Ag頂電極/Al₂O₃披覆層結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果，從圖中我們可以看出在10⁶s長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試下，高低阻態(tài)數(shù)據(jù)仍保持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)特性穩(wěn)定。這說(shuō)明該基于黑磷烯的阻變存儲(chǔ)器及其封裝結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)黑磷烯氧化導(dǎo)致失效的問題。

圖6是實(shí)施例1的Al₂O₃襯底/Ni-Au底電極/黑磷烯薄膜層/Ag頂電極/Al₂O₃披覆層結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)速度測(cè)試結(jié)果，從圖中可以看出器件的轉(zhuǎn)變速度在納秒級(jí)，具有快的轉(zhuǎn)變速度，具有良好的應(yīng)用前景。

由上可知，該黑磷烯存儲(chǔ)器具有轉(zhuǎn)變速度快、讀寫電壓穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

需要說(shuō)明的是：圖中各層厚度和區(qū)域大小形狀不反映真實(shí)比例，目的只是示意說(shuō)明本發(fā)明內(nèi)容。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。