一种选通器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及微纳电子器件技术领域，尤其涉及一种选通器件及其制备方法。

背景技术

随着计算机、物联网和数字媒体等的进一步发展，数据的爆炸式增长对存储容量和存储密度提出了越来越高的要求。在这其中，忆阻器作为一种新兴的纳米信息器件，具有开关性能和工艺尺寸等方面的优势，是国内外研究的重点领域。然而，忆阻器交叉阵列中存在泄漏电流问题，成为阻碍大规模忆阻器阵列应用的瓶颈。

目前，将忆阻器与具有高度非线性的两端选通器件集成，可以与忆阻器工艺兼容，能够有效缓解泄漏电流的问题，是一种能够实现大规模阵列集成的可行方案。但选通器件的研究还处于探索阶段，在稳定性、可靠性及耐久性等方面还存在诸多挑战。因此，亟需设计一种稳定性及耐久性高的选通器件。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的之一在于提供一种选通器件及其制备方法，可提升选通器件的稳定性、可靠性和耐久性。

第一方面，本申请实施例提供了一种选通器件，所述选通器件包括制备在衬底上的第一电极层、中间介质层和第二电极层；

所述中间介质层设置在所述第一电极层和所述第二电极层之间，其中，所述第一电极层和所述第二电极层均为惰性电极，所述中间介质层包括奇数个绝缘的介质层，且相邻介质层均为不同硫系化合物结构层。

在一种可能的实施方式中，所述中间介质层包括依次叠加设置的第一介质层、第二介质层、第三介质层、第四介质层和第五介质层，其中，所述第一介质层贴合所述第一电极层，所述第五介质层贴合所述第二电极层；

所述中间介质层的厚度范围为20纳米至100纳米。

在一种可能的实施方式中，所述第一介质层、所述第三介质层和所述第五介质层均为锗硒化合物结构层，所述第二介质层和所述第四介质层均为掺杂锑和碲元素的锗硒化合物结构层。

在一种可能的实施方式中，所述第一介质层和所述第三介质层基于所述第二介质层保持对称；

所述第三介质层和所述第五介质层基于所述第四介质层保持对称；

所述第二介质层和所述第四介质层基于所述第三介质层保持对称。

在一种可能的实施方式中，所述第一电极层和所述第二电极层均为氮化钛金属层、钨金属层、钼金属层或铝金属层；

所述第一电极层和所述第二电极层的厚度范围均为20纳米至60纳米。

第二方面，本申请实施例提供了一种选通器件的制备方法，包括：

采用惰性材料在衬底上制备第一电极层，其中，所述衬底为硅结构层或硅化物结构层；

在所述第一电极层的表面上制备中间介质层，所述中间介质层为奇数个绝缘的介质层，且相邻介质层均为不同硫系化合物结构层；

采用惰性材料在所述中间介质层的表面上制备第二电极层，得到选通器件。

在一种可能的实施方式中，所述采用惰性材料在衬底上制备第一电极层的步骤，包括：

在所述衬底的表面形成光刻胶并采用紫外线或电子束光刻，在所述衬底的光刻胶中得到第一电极层图形；

根据磁控溅射法在所述第一电极层图形的表面上溅射，并剥离所述衬底的光刻胶，得到所述第一电极层。

在一种可能的实施方式中，所述在所述第一电极层的表面上制备中间介质层的步骤，包括：

在所述第一电极层的表面上制备第一介质层；

在所述第一介质层的表面上制备第二介质层；

在所述第二介质层的表面上制备第三介质层；

在所述第三介质层的表面上制备第四介质层；

在所述第四介质层的表面上制备第五介质层，得到所述中间介质层；

其中，第一介质层、第三介质层和第五介质层均为相同的功能层，第二和第四介质层均为相同的功能层。

在一种可能的实施方式中，各介质层的制备步骤，包括：

在所述第一电极层的表面形成光刻胶并采用紫外线或电子束光刻，在所述第一电极层的光刻胶中得到介质层图形；

根据磁控溅射法在所述介质层图形的表面上溅射，并剥离所述第一电极层的光刻胶，得到介质层。

在一种可能的实施方式中，所述采用惰性材料在所述中间介质层的表面上制备第二电极层的步骤，包括：

在所述中间介质层的表面形成光刻胶并采用紫外线或电子束光刻，在所述中间介质层的光刻胶中得到第二电极层图形；

根据磁控溅射法在所述第二电极层图形的表面上溅射，并剥离所述中间介质层的光刻胶，得第二电极层。

本申请实施例提供的选通器件，包括制备在衬底上的第一电极层、中间介质层和第二电极层，其中，所述中间介质层包括奇数个绝缘的介质层，且相邻介质层均为不同硫系化合物结构层，在实际应用中，中间介质层层数的增加，以及锑、碲元素的掺杂共同提升了选通器件的稳定性、耐久性及可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。

图1示出了本申请实施例提供的一种选通器件的平面结构示意图；

图2示出了本申请实施例提供的一种选通器件的横截面结构示意图；

图3示出了本申请实施例提供的一种选通器件所包含的中间介质层结构示意图；

图4示出了本申请实施例提供的一种选通器件的制备方法流程图；

图5示出了本申请实施例提供的一种选通器件所涉及的阈值跳变过程图；

图6示出了本申请实施例提供的一种选通器件的阈值跳变性能图；

图7示出了本申请实施例提供的一种选通器件的耐久性性能图。

图标：第一电极层210；中间介质层220；第二电极层230；第一介质层221；第二介质层222；第三介质层223；第四介质层224；第五介质层225。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

请参见图1，本实施例中的选通器件采用交叉开关矩阵(Crossbar)结构，选通器件的类型为双向阈值开关(Ovonic Threshold Switch，OTS)选通器件。

具体地，请参见图2，本实施例中的选通器件包括制备在衬底上的第一电极层210、中间介质层220和第二电极层230，所述中间介质层220设置在所述第一电极层210和所述第二电极层230之间，其中，所述第一电极层210和所述第二电极层230均为惰性电极，所述中间介质层220包括奇数个绝缘的介质层，且相邻介质层均为不同硫系化合物结构层。

在本实施例中，制备中间介质层220的时候，可以选择制备多层硫系化合物结构层为中间介质层220，并且，中间介质层220的层数为奇数层。具体地，将中间介质层220的层数设定为奇数层可保证整个器件的结构是完全对称的，可选地，与第一电极层210和第二电极层230相接触的介质层材料相同。在对选通器件进行操作的过程中，完全对称的器件结构使得器件的电学特性同样具有完全对称的特点，不需要特意区分正负电极。可通过对选通器件的第一电极层210和第二电极层230施加电脉冲激励，调整硫系化合物材料内部导电通道的形成和断裂，选通器件可表现出明显的双向阈值选通特征。

示例性地，硫系化合物材料内部导电通道的形成和断裂存在阈值电压，当外加在选通器件的两个电极层上的电压大于阈值电压，中间介质层220中的硫系化合物材料内部导电通道形成，此时选通器件处于低电阻状态，经过导电通道的电流很大，选通器件充当开启开关的角色。

而当外加在选通器件的两个电极层上的电压逐渐减小至阈值电压以下，此时的外加电压低于阈值电压，中间介质层中的硫系化合物材料内部导电通道断开，此时选通器件处于高电阻状态，经过导电通道的电流很低，选通器件充当断开开关的角色。也即，基于制备的中间介质层，可以对选通器件的第一电极层210和第二电极层230施加电脉冲激励，以使选通器件处于开启和关闭等不同状态，并提高了选通器件的耐久性。

可选地，第一电极层210和第二电极层230均为氮化钛金属层、钨金属层、钼金属层或铝金属层，一般选用导电性能好的材料制备第一电极层和第二电极层，在本实施例中不做具体限制，仅需保证第一电极层210和第二电极层230的选材相同即可。

另外，第一电极层210和第二电极层230的厚度范围均为20nm至60nm。其中，第一电极层210和第二电极层230的厚度可根据实际需求进行设定，第一电极层210和第二电极层230所使用的材质也可根据实际的性能需求以及空间需求进行选择。

由上述分析可知，在本实施例中，选通器件包括制备在衬底上的第一电极层、中间介质层和第二电极层，其中，所述中间介质层包括奇数个绝缘的介质层，且相邻介质层均为不同硫系化合物结构层，在实际应用中，中间介质层层数的增加，以及锑、碲元素的掺杂共同提升了选通器件的稳定性、耐久性及可靠性。

可选地，第一介质层221和第三介质层223基于第二介质层222保持对称；

第三介质层223和第五介质层225基于第四介质层224保持对称；

第二介质层222和第四介质层224基于第三介质层保持对称。

请参照图3，在一种可能的实施方式中，中间介质层220包括依次叠加设置的第一介质层221、第二介质层222、第三介质层223、第四介质层224和第五介质层225，其中，第一介质层221贴合第一电极层210，第五介质层225贴合第二电极层230，中间介质层220的厚度范围为20nm至100nm。

其中，介质层的层数可根据实验需求或功能需求进行设定，只要保证层数为奇数即可。具体地，奇数层可保证整个器件的结构是完全对称的，与第一电极层210和第二电极层230相接触的介质层材料相同。在对选通器件进行操作的过程中，完全对称的器件结构使得器件的电学特性同样具有完全对称的特点，不需要特意区分正负电极。在本实施例中，中间介质层220可制备五层，中间介质层220的厚度范围可以为20nm至100nm，例如35.7nm。可选地，第一介质层221、第三介质层223和第五介质层225均为锗硒化合物结构层，第二介质层222和第四介质层224均为掺杂锑和碲元素的锗硒化合物结构层，其中，锗硒化合物结构层的厚度为7.9nm，掺杂锑和碲元素的锗硒化合物结构层的厚度为6nm。

在本实施例中，采用相同元素化合物的结构层保持对称，可保证选通器件的电学特性对称，可保证进行电化学的正负扫描过程中的电流和电压特性对称，也保证了选通器件正常工作的稳定性。

综上，在本实施例中，选通器件中的奇数层个中间介质层，包括了间隔的锗硒化合物结构层以及掺杂锑和碲元素的锗硒化合物结构层，可以对选通器件的第一电极层和第二电极层施加电脉冲激励，以使选通器件处于开启和关闭等不同状态，同时也提高了选通器件的耐久性及可靠性。并且，相同元素的化合物结构层保持对称或相对对称，可使选通器件的电学特性对称，保证了选通器件正常工作的稳定性。

与上述选通器件实施例相对应，如图4所示，本申请还提供一种选通器件的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

S410，采用惰性材料在衬底上制备第一电极层，其中，所述衬底为硅结构层或硅化物结构层；

S420，在所述第一电极层的表面上制备中间介质层，所述中间介质层为奇数个绝缘的介质层，且相邻介质层均为不同硫系化合物结构层；

S430，采用惰性材料在所述中间介质层的表面上制备第二电极层，得到选通器件。

在本实施例中，需要按顺序依次制备第一电极层、中间介质层和第二电极层，具体地，可在硅结构层或硅化物结构层的表面上先制备第一电极层，然后依次制备得到中间介质层和第二电极层。其中，惰性材料可选用氮化钛、钨和钼钛、银和铝，第一电极和第二电极的厚度范围为20nm至60nm。

综上，在本实施例中，选通器件制备过程中的中间介质层，在实际应用中，中间介质层层数的增加，以及锑、碲元素的掺杂共同提升了选通器件的稳定性、耐久性及可靠性。

可选地，所述采用惰性材料在衬底上制备第一电极层的步骤，包括：

在所述衬底的表面形成光刻胶并采用紫外线或电子束光刻，在所述衬底的光刻胶中得到第一电极层图形；

根据磁控溅射法在所述第一电极层图形的表面上溅射，并剥离所述衬底的光刻胶，得到所述第一电极层。

可选地，所述在所述第一电极层的表面上制备中间介质层的步骤，包括：

在第一电极层的表面上制备第一介质层；

在第一介质层的表面上制备第二介质层；

在第二介质层的表面上制备第三介质层；

在第三介质层的表面上制备第四介质层；

在第四介质层的表面上制备第五介质层，得到中间介质层，其中，第一介质层、第三介质层和第五介质层均为相同的功能层，第二和第四介质层均为相同的功能层。

具体地，选通器件的耐久性及稳定性与制备的中间介质层有着紧密的联系，层数的增加意味着界面态的增加，也使得层与层之间的强相互作用力更加的强烈，可避免选通器件发生机理发生衰减的情形，保证了选通器件工作的稳定性和耐久性。

具体地，各个介质层的详细介绍可参照上述选通器件实施例及图2。

可选地，各介质层的制备步骤，包括：

在所述第一电极层的表面形成光刻胶并采用紫外线或电子束光刻，在所述第一电极层的光刻胶中得到介质层图形；

根据磁控溅射法在所述介质层图形的表面上溅射，并剥离所述第一电极层的光刻胶，得到介质层。

其中，可在第一电极层的表面上进行涂胶得到光刻胶，具体可采用旋转涂胶的方式。

在本实施例中，采用硫系化合物材料作为中间介质层，而硫系化合物是一种非晶相的半导体材料，其禁带中存在着大量的缺陷，也就意味着有大量被束缚在禁带陷阱态的载流子存在，影响选通器件内部的阈值跳变。

示例性地，请参照图5，在小电压下，材料的绝大多数载流子被束缚在禁带的陷阱态中，无法自由移动，此时器件的初始电流密度非常小，如图5中的(a)所示，其中，黑色圆圈表示被载流子填充的陷阱态，白色圆圈表示未被载流子填充的陷阱态。随着外加电压的不断增大，材料的能带在非平衡载流子、非均匀电场的共同作用下发生蒲尔-弗朗克效应(Poole-Frenkel effect)，出现弯曲的现象，被束缚在陷阱态的载流子挣脱束缚所需要翻越的势垒高度下降，如图5中的(b)所示。此时，低陷阱能级上的载流子能够轻易隧穿到高能级陷阱中，注入或产生的载流子的损耗和复合增加，电流增大。接下来载流子浓度随电压增加，损耗机制被抑制，使复合中心达到饱和，导致电流快速增加。当所有的陷阱都被填充后跳变现象发生，选通器件打开并呈现低阻，如图5中的(c)所示。

而当外加电压逐渐减小时，选通器件能带的弯曲逐渐恢复，自由态的载流子无法维持足够的能量用以克服势垒高度，逐渐重新被束缚于陷阱态中，自由载流子的数目减少，选通器件的电流密度减小，选通器件关闭。

在本实施例中，选通器件在开启过程中，只有当所有层次陷阱态都被填满后才会发生阈值跳变现象；在关断过程中，只要某一层的陷阱态未填充满就会关断，对选通器件起到保护作用，锑和碲元素的掺杂可以减少带隙，集中缺陷，降低阈值电压，扩大开关比；层数的增加对电子输运起到了有效的扩散屏障作用；层与层之间的强相互作用力则会在多次的脉冲循环过程中对器件的整体结构起到保护的作用，不至于被破坏，提高了选通器件的耐久性和稳定性。

可选地，所述采用惰性材料在所述中间介质层的表面上制备第二电极层的步骤，包括：

在所述中间介质层的表面形成光刻胶并采用紫外线或电子束光刻，在所述中间介质层的光刻胶中得到第二电极层图形；

根据磁控溅射法在所述第二电极层图形的表面上溅射，并剥离所述中间介质层的光刻胶，得第二电极层。

以下将对上述实施例中的选通器件进行性能测试，具体的性能测试结果请参照图6和图7。

其中，图6为检测选通器件的阈值跳变性能。具体地，可使用电学测试探针将多层选通器件的两个电极与半导体参数分析仪相连接，可给选通器件施加三角脉冲激励。首先，使用电压值为1V的正向直流扫描电压进行初始阻态的测试，测试结果为选通器件的初始阻值超过10

从图6中可以看出，器件能够发生阈值跳变现象。当选通器件的两个电极层上的电压不断增大至4V左右时，流经选通器件的电流突然增大，器件的开态电流约为75μA，选通器件打开；当外加电压逐渐减小至2V左右时，流经选通器件的电流突然下降，选通器件关闭。选通器件关闭时处于高阻态，小于2V时的电阻约为2GΩ，能够有效阻止阵列中的泄漏电流。器件的开关比在10

其中，图7为检测选通器件的耐久性。具体地，同样使用电学测试探针将多层选通器件的两个电极与半导体参数分析仪相连接，可给选通器件施加梯形脉冲激励。其中，梯形脉冲的设置参数为脉冲幅度5V，上升时间100ns、下降时间为100ns，脉冲宽度为200ns。图7中的横轴表示循环次数，纵轴表示电流，其中，电流单位为安。本实施例中的半导体参数分析仪选用型号为Keithley 4200。给选通器件施加5V的编程电压激励，与5V的变成电压激励对应的参数如上升时间设为100ns、下降时间设为100ns、脉冲宽度设为200ns，以及给选通器施加2.5V的读电压，与2.5V的读电压对应的参数如上升时间为100ns、下降时间为100ns、脉冲宽度为100μs。测试结果说明选通器件在10

综上，在本实施例中，制备多层选通器件，其中间介质层包括了间隔的锗硒化合物结构层以及掺杂锑和碲元素的锗硒化合物结构层，可使选通器件处于开启和关闭等不同状态，并提高了选通器件的耐久性及可靠性。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。