基于纖維的非易失性存儲(chǔ)器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料與器件領(lǐng)域，具體涉及一種基于纖維的非易失性存儲(chǔ)器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)簡(jiǎn)單的金屬/金屬氧化物/金屬三明治結(jié)構(gòu)施加電壓能夠改變器件的電阻，而且這種改變是持久的且是可逆的。通過(guò)改變電壓的大小或極性，器件可以在兩個(gè)阻態(tài)或多個(gè)阻態(tài)之間切換，這就是電致電阻效應(yīng)。電致電阻效應(yīng)可以追溯到1962年，當(dāng)時(shí)Hickmott在鋁/絕緣體/鋁三明治結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了電致負(fù)電阻效應(yīng)，即電壓引起高電阻態(tài)到低電阻態(tài)的轉(zhuǎn)變。此后的六十年，人們相繼在其他薄膜器件中發(fā)現(xiàn)了電致電阻效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起更多地關(guān)注。直到2000年，美國(guó)休斯頓大學(xué)的研究小組在巨磁阻氧化Pr0.7Ca0.3Mn03(PCM0)薄膜中再次發(fā)現(xiàn)電致電阻現(xiàn)象，并進(jìn)一步利用脈沖實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)阻態(tài)的翻轉(zhuǎn)，而且電阻變化是非易失性的，他們證明了這種效應(yīng)可以用于非易失存儲(chǔ)器，由此引發(fā)了電致電阻研究的熱潮。同一年，IBM研究小組發(fā)現(xiàn)SrT1jP SrZrO 3薄膜也有這種效應(yīng)。電致電阻效應(yīng)的重要性在2002年被廣泛認(rèn)識(shí)和接受。發(fā)現(xiàn)PCM0電脈沖誘導(dǎo)電阻轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的休斯頓大學(xué)研究組聯(lián)合夏普(Sharp)公司一起提出非易失電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器(RRAM)概念，并開(kāi)發(fā)了基于PCM0的非易失電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器原型器件。
[0003]所謂的非易失電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器，就是使用電學(xué)脈沖擦寫(xiě)阻態(tài)，并且斷電之后其阻態(tài)保持不變，信息由阻態(tài)表示:對(duì)應(yīng)雙阻態(tài)情況，高阻態(tài)(HRS)對(duì)應(yīng)“0”，低阻態(tài)(LRS)對(duì)應(yīng)“1”。這樣的隨機(jī)存儲(chǔ)器在系統(tǒng)關(guān)閉或無(wú)電源供應(yīng)時(shí)仍能保持?jǐn)?shù)據(jù)信息。當(dāng)時(shí)的原型RRAM已具有比閃存快100倍的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速度。RRAM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一個(gè)存儲(chǔ)單元可以是一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管，或者一個(gè)電阻器和一個(gè)晶體管。這種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)不僅可以提高數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速度，還可以提高存儲(chǔ)密度。此外，數(shù)據(jù)擦寫(xiě)的偏壓在IV量級(jí)，電流可以小到nA量級(jí)，因此功耗也非常小。
[0004]電致電阻效應(yīng)在非易失性存儲(chǔ)器領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，經(jīng)歷十多年的發(fā)展，利用電致電阻性質(zhì)制備的新型非易失性存儲(chǔ)器(RRAM)的材料體系日臻完善。眾多材料體系中都存在電致電阻轉(zhuǎn)變效應(yīng)，為開(kāi)發(fā)其他具有電致電阻效應(yīng)的功能材料并應(yīng)用于新型存儲(chǔ)器提供了可能。二元過(guò)渡金屬氧化物隨機(jī)存儲(chǔ)器具有功率更小，速度更快，微縮化程度更高，與CMOS工藝兼容性更好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是新一代非易失性存儲(chǔ)器的有力候選者。
[0005]通過(guò)專(zhuān)利查詢(xún)可知，山東大學(xué)顏世申課題組公布了一種集記憶電阻與隧穿磁電阻于一體的多功能自旋記憶電阻器件及制備方法(中國(guó)專(zhuān)利，公開(kāi)號(hào)102945922A)，其多功能自旋記憶電阻器件采用Co/CoO-ZnO/Co磁性隧道結(jié)，在外加電壓下具有雙極阻變效應(yīng)，在外加磁場(chǎng)下具有隧穿磁電阻效應(yīng)。索尼公司公開(kāi)了一種非易失性存儲(chǔ)器件的制造方法(中國(guó)專(zhuān)利，公開(kāi)號(hào)102456834A、102013454A)，該器件由第一磁性材料層、隧道絕緣膜和第二磁性材料層依次層疊而成，當(dāng)電阻值隨磁化反轉(zhuǎn)狀態(tài)變化時(shí)，信息被存儲(chǔ)在該非易失性存儲(chǔ)器件中，繼續(xù)層疊有正負(fù)珀?duì)柼禂?shù)的材料層和電極，能夠抑制由于焦耳熱導(dǎo)致的所述信息存儲(chǔ)層的溫度上升，實(shí)現(xiàn)抑制讀干擾現(xiàn)象的功能。中科院物理所韓秀峰(中國(guó)專(zhuān)利，公開(kāi)號(hào)102856488A、102709470A、102593129A)公開(kāi)了一種基于鐵電及多鐵材料可逆電致電阻效應(yīng)的納米多層膜邏輯器件，以及一種電場(chǎng)調(diào)控型納米多層膜、電場(chǎng)調(diào)制型場(chǎng)效應(yīng)管、開(kāi)關(guān)型電場(chǎng)傳感器及電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)型隨機(jī)存儲(chǔ)器的制備方法，在室溫下通過(guò)電場(chǎng)調(diào)制多層薄膜中的電致電阻效應(yīng)。三星會(huì)社(中國(guó)專(zhuān)利，公開(kāi)號(hào)103972237A)公開(kāi)了一種非易失性存儲(chǔ)器件，其結(jié)構(gòu)組成包括襯底、在襯底中的溝槽、兩個(gè)柵電極及溝槽中間雜質(zhì)區(qū)。
[0006]雖然眾多學(xué)者在二元過(guò)渡金屬氧化物和其他多種材料的研究中都發(fā)現(xiàn)了電阻轉(zhuǎn)變現(xiàn)象(現(xiàn)代物理知識(shí)，2012，01:47-50)，但是現(xiàn)有電致電阻效應(yīng)的研究主要集中在金屬三明治結(jié)構(gòu)模型，其制備工藝較為復(fù)雜，集成度相對(duì)有限，導(dǎo)致電阻改變的區(qū)域在納米尺度或在表面/界面處，給機(jī)理的研究帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，也阻礙了非易失性電致電阻效應(yīng)存儲(chǔ)器的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于纖維的非易失性存儲(chǔ)器件及其制備方法。
[0008]本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下:基于納米纖維的非易失性存儲(chǔ)器件，包括基板、底電極、納米纖維和頂電極，所述底電極位于基板表面，所述納米纖維的兩端通過(guò)頂電極與底電極相連接。
[0009]所述底電極為Pt/Ag電極矩陣。
[0010]所述納米纖維為T(mén)i02、Fe203、Sn02、ZnO、CuO、N1無(wú)機(jī)纖維中的一種。
[0011]基于有機(jī)纖維的非易失性存儲(chǔ)器件，其特征在于包括基板、有機(jī)纖維、電極，所述有機(jī)纖維為滌綸、腈綸、錦綸、丙綸、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維、聚對(duì)苯撐苯并雙惡唑纖維、聚對(duì)苯咪唑纖維、聚苯撐吡啶并二咪唑纖維、聚酰亞胺纖維中的一種，所述有機(jī)纖維位于基板表面，其兩端與電極相連接。
[0012]所述納米纖維或有機(jī)纖維的結(jié)構(gòu)形式為實(shí)心纖維、空心纖維、兩腔纖維，多孔纖維。
[0013]基于納米纖維的非易失性存儲(chǔ)器件的制備方法，包括如下步驟:
[0014](1)通過(guò)電子束蒸鍍法在基板上制備底電極；
[0015](2)通過(guò)溶膠-凝膠法和靜電紡絲法在所述底電極上制備納米纖維；
[0016](3)將所述納米纖維進(jìn)行退火處理，在其兩端引入頂電極。
[0017]所述步驟還包括將Ag、Zn、Cu、Mg、Fe的硝酸鹽或硫酸鹽溶液滴加在步驟(3)制備的納米纖維上并進(jìn)行干燥處理。
[0018]步驟⑴所述的底電極為Pt/Ag電極矩陣。
[0019]步驟(2)所述的靜電紡絲法中靜電紡絲噴頭與接收電極距離為120-200mm，外加電壓為20kv，空氣相對(duì)濕度為60%，微量注射栗的推進(jìn)速度為180-200 μ 1/h。
[0020]步驟(3)所述的退火處理升溫速率為2-5°C /min，加熱至500°C保溫2h后自然冷卻。
[0021]本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，纖維可選擇種類(lèi)多，在纖維表面滴加金屬硫酸鹽或硝酸鹽溶液并進(jìn)行干燥處理即可得到場(chǎng)致粒子分布均勻的非易失性存儲(chǔ)器件。本發(fā)明相對(duì)金屬三明治結(jié)構(gòu)的記憶電阻器模型而言具有更高的集成度，從高阻態(tài)到低阻態(tài)的可逆變化具有更好的重復(fù)性。以Ti02納米纖維為基底的記憶電阻器還具有更好的生物兼容性，在模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和非易失性存儲(chǔ)器領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。
【附圖說(shuō)明】
[0022]此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。附圖中:
[0023]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1納米纖維標(biāo)準(zhǔn)器件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1氧化鈦納米纖維器件在濕度環(huán)境和干燥環(huán)境中的循環(huán)1-V曲線對(duì)比圖；
[0025]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1氧化鈦納米纖維器件在濕度環(huán)境中循環(huán)10次的循環(huán)1-V曲線圖；
[0026]圖4是本發(fā)明實(shí)施例1氧化鈦納米纖維器件滴加AgN03溶液干燥處理后在干燥環(huán)境中循環(huán)2次的循環(huán)1-V曲線圖；
[0027]圖5是本發(fā)明實(shí)施例1氧化鈦納米纖維器件滴加AgN03溶液干燥處理后出現(xiàn)多值電阻的循環(huán)ι-v曲線圖；
[0028]圖6是本發(fā)明實(shí)施例2尼龍