一种具有二维材料新型结构的选通管及其制备方法

技术领域

本发明涉及微纳米电子技术领域，尤其涉及一种具有二维材料新型结构的选通管及其制备方法。

背景技术

为了实现高密度存储，新型高性能存储器(比如电阻存储器、相变存储器等)通常采取交叉阵列排列，并因此带来了严重的串扰问题，即在2x2的交叉阵列中读取的高阻态将会因为相邻单元的低阻态提供一条潜通路而引起电流的泄露从而导致误读。当存储阵列变大或者多层阵列堆叠时，漏电现象将更加严重。为了避免漏电现象，每一个存储单元都必须连接一个选通管。

目前，选通管主要包括双向阈值开关型选通管、金属-绝缘体转换选通管、混合离子电子导电选通管、势垒型选通管、导电桥阈值开关型选通管。其中，导电桥阈值开关型选通管具有极低的漏电流(高开关比)，具有低功耗应用前景。

通常，导电桥阈值开关型选通管的电极层采用活性金属电极层，并且开关层采用导电丝易生长层A和导电丝难生长层B交替堆叠形成的多层堆叠结构。由于采用此种方式，选通管器件在较低的开启电压下就可以形成导电丝导通，提供较大的驱动电流，并且关闭时导电丝容易断开，具有极低的漏电流。

但本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题，由于活性金属电极层容易扩散或氧化，会造成选通管器件失效，从而影响存储器的整体寿命。

发明内容

本申请实施例通过提供一种具有二维材料新型结构的选通管及其制备方法，解决了现有技术中选通管器件容易失效的问题，提高了存储器的整体寿命。

本申请实施例提供了一种具有二维材料新型结构的选通管，所述选通管包括依次堆叠的第一金属电极层、选通层以及第二金属电极层；

所述选通层包括：二维材料层A、开关层B以及活性金属硫化物层，所述二维材料层A与所述开关层B交替堆叠形成AB不对称结构、BA不对称结构或ABA对称结构中任一结构，所述活性金属硫化物层的数量与所述二维材料层A的数量相同，所述活性金属硫化物层与所述二维材料层A远离所述开关层B的一面接触，所述第一金属电极层与所述第二金属电极层均为惰性电极层。

可选地，所述二维材料层A的材料为石墨烯、MoSx、WSx、BN、MoSex、MoTex、WSex、WTex、TiSex、黑磷中的任意一种。

可选地，所述活性金属硫化物层的材料为AgS、CuS、NiS、CoS的任意一种。

可选地，所述开关层B的材料为硫系化合物，硫系化合物包括GeSe、ZnSe、AlSe、SbSe、SbSe

可选地，所述惰性电极层的材料包括Pt、Ti、W、Au、Ru、Al、TiW、TiN、TaN、IrO

可选地，所述二维材料层A的厚度为5～10nm。

可选地，所述活性金属硫化物层的厚度为15～30nm。

本申请实施例提供了一种具有二维材料的选通管的制备方法，所述制备方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上沉积第一金属电极层，所述第一金属电极层为惰性电极层；

在所述第一金属电极层上制备选通层，所述选通层包括二维材料层A、开关层B以及活性金属硫化物层，二维材料层A与开关层B交替堆叠形成AB不对称结构、BA不对称结构或ABA对称结构中任一结构，所述活性金属硫化物层的数量与所述二维材料层A的数量相同，所述活性金属硫化物层与所述二维材料层A远离所述开关层B的一面接触；

在所述选通层上制备所述第二金属电极层，所述第二金属电极层为惰性电极层。

可选地，在所述第一金属电极层上制备选通层，包括：

在所述衬底上沉积电热绝缘层，并对所述电热绝缘层进行图形化得到纳米孔并暴露出所述第一金属电极层；

对所述电热绝缘层再一次进行图形化，依次交替沉积开关层B和二维材料层A交替堆叠形成BA不对称结构。

可选地，在沉积二维材料层A之后，还包括：

对所述二维材料层A进行离子束轰击，以调节二维材料层A表面缺陷的大小。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

选通管包括依次堆叠的第一金属电极层、选通层以及第二金属电极层；选通层包括：二维材料层A、开关层B以及活性金属硫化物层，所述二维材料层A与所述开关层B交替堆叠形成AB不对称结构、BA不对称结构或ABA对称结构中任一结构，所述活性金属硫化物层的数量与所述二维材料层A的数量相同，所述活性金属硫化物层与所述二维材料层A远离所述开关层B的一面接触，活性金属硫化物层可以提供金属离子，金属离子穿过二维材料层的缺陷空隙，在开关层中形成导电丝。所述第一金属电极层与所述第二金属电极层均为惰性电极层，避免了由于电极金属的氧化或扩散造成的失效，提高了选通管的稳定性、进而提高存储器的使用寿命。活性金属硫化物层被惰性电极层局限起来，使其仅仅作为活泼金属离子提供方，相对比较于将其作为电极，减少了活动金属硫化物层的厚度，从而能够减少选通管的阈值电压，节省功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种具有二维材料新型结构的选通管的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种具有二维材料新型结构的选通管的剖面图；

图3是本发明实施例提供的另一种具有二维材料新型结构的选通管的剖面图；

图4是本发明实施例提供的另一种具有二维材料新型结构的选通管的剖面图；

图5是本发明实施例提供的一种具有二维材料新型结构的选通管的制作方法的流程图；

图6～图9为本发明实施例提供的一种具有二维材料新型结构的选通管的制作方法的过程示意图；

图10～图12是本发明实施例提供的另一种具有二维材料新型结构的选通管的制作方法的过程示意图；

图13～图16是本发明实施例提供的另一种具有二维材料新型结构的选通管的制作方法的过程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例提供的一种具有二维材料新型结构的选通管的结构示意图。如图1所示，选通管包括依次堆叠的第一金属电极层100、选通层200以及第二金属电极层300。选通层200包括二维材料层A、开关层B以及活性金属硫化物层202，二维材料层A与开关层B交替堆叠形成AB不对称结构、BA不对称结构或ABA对称结构中任一结构，活性金属硫化物层202的数量与二维材料层A的数量相同，活性金属硫化物层202与二维材料层A远离开关层B的一面接触，活性金属硫化物层202可以提供金属离子，金属离子穿过二维材料层的缺陷空隙，在开关层中形成导电丝。

第一金属电极层100与第二金属电极层300均为惰性电极层，避免了由于电极金属的氧化或扩散造成的失效，提高了选通管的稳定性、进而提高存储器的使用寿命。同时，活性金属硫化物层202被惰性电极层局限起来，使其仅仅作为活泼金属离子提供方，相对比较于将其作为电极，减少了活动金属硫化物层的厚度，从而能够减少选通管的阈值电压，节省功耗。

使用时，在选通管的第一金属电极层100和第二金属电极层300之间施加激励。在电场的作用下，当施加的电压超过阈值电压时，活性金属硫化物层202的金属离子顺着二维材料层A中的缺陷空隙迁移到开关层中，形成到导电丝，使第一金属电极层100和第二金属电极层300导通，从而使得选通管导通。当施加的电压低于阈值电压时，导电丝消失，选通管关闭。

具体地，二维材料层A的厚度为5～10nm，二维材料层A的材料为石墨烯、MoSx、WSx、BN、MoSex、MoTex、WSex、WTex、TiSex、黑磷中的任意一种。

在一些实施例中，活性金属硫化物层202的厚度为15～30nm，活性金属硫化物层202的材料为AgS、CuS、NiS、CoS的任意一种。

在一些实施例中，开关层B为硫系化合物薄膜，硫系化合物包括GeSe、ZnSe、AlSe、SbSe、SbSe

在一些实施例中，惰性电极层的材料包括Pt、Ti、W、Au、Ru、Al、TiW、TiN、TaN、IrO

图2是本发明实施例提供的一种具有二维材料新型结构的选通管的剖面图，在一些实施例中，如图2所示，选通管包括衬底400，以及依次沉积在衬底400上的第一金属电极层100和电热绝缘层201，电热绝缘层201中具有一纳米孔，纳米孔的轴线垂直于衬底400，纳米孔的底表面为第一金属电极层100的上表面。纳米孔内有开关层B和二维材料层A交替堆叠形成BA不对称结构，二维材料层A的上表面与电热绝缘层201上表面平齐，电热绝缘层201上沉积有活性金属硫化物层202和第二金属电极层300。二维材料层A中会形成作为导电丝通道的缺陷空隙，通过控制二维材料层A中的缺陷面积大小，可以控制选通管开启时开关层中形成的导电丝的粗细，即可以对选通管的开关性能进行调节。

图3是本发明实施例提供的另一种具有二维材料新型结构的选通管的剖面图，在一些实施例中，如图3所示，选通管包括衬底400，以及依次沉积在衬底400上的第一金属电极层100、活性金属硫化物层202和电热绝缘层201，电热绝缘层201中具有一纳米孔，纳米孔的轴线垂直于衬底400，纳米孔的底表面为活性金属硫化物层202的上表面。纳米孔内有二维材料层A和开关层B交替堆叠形成AB不对称结构，开关层B的上表面与电热绝缘层201上表面平齐，电热绝缘层201上沉积有第二金属电极层300。二维材料层A中会形成作为导电丝通道的缺陷空隙，通过控制二维材料层A中的缺陷面积大小，可以控制选通管开启时开关层中形成的导电丝的粗细，即可以对选通管的开关性能进行调节。

图4是本发明实施例提供的另一种具有二维材料新型结构的选通管的剖面图，在一些实施例中，如图4所示，选通管包括衬底400，以及依次沉积在衬底400上的第一金属电极层100、活性金属硫化物层202和电热绝缘层201，电热绝缘层201中具有一纳米孔，纳米孔的轴线垂直于衬底400，纳米孔的底表面为活性金属硫化物层202的上表面。纳米孔内有二维材料层A和开关层B交替堆叠形成ABA不对称结构，二维材料层A的上表面与电热绝缘层201上表面平齐，电热绝缘层201上沉积有活性金属硫化物层202和第二金属电极层300。这种选通管可以实现双向选通的特性，同时适用于双极性器件和单极性器件。双向选通管应用在三维存储器中，可以减少字线一层连接的晶体管数量，可以提高集成密度，进而提高三维存储器的性能。

图5是本发明实施例提供的一种具有二维材料新型结构的选通管的制作方法的流程图。如图5所述，本申请实施例提供了一种具有二维材料新型结构的选通管的制备方法，制备方法包括：

S11：提供一衬底400。

在一些实施例中，衬底400可以选用半导体衬底400，例如硅衬底。

S12：在衬底400上沉积第一金属电极层100，第一金属电极层100为惰性电极层。

如图6所示，在衬底400上沉积第一金属电极层100，第一金属电极层100为惰性电极层。

可选地，第一金属电极层100为惰性电极层，惰性电极层材料包括Pt、Ti、W、Au、Ru、Al、TiW、TiN、TaN、IrO

S13：在第一金属电极层100上制备选通层200，选通层200包括二维材料层A、开关层B以及活性金属硫化物层202，二维材料层A与开关层B交替堆叠形成AB不对称结构、BA不对称结构或ABA对称结构中任一结构，活性金属硫化物层202的数量与二维材料层A的数量相同，活性金属硫化物层202与二维材料层A远离开关层B的一面接触。

在制作如图2所示的选通管器件时，S13：在第一金属电极层100上制备选通层200，包括：

S101：在衬底400上制备电热绝缘层，并对电热绝缘层进行图形化得到纳米孔并暴露出第一金属电极层100；

在一些实施例中，如图7所示，在衬底400上制备电热绝缘层，并对电热绝缘层进行图形化得到纳米孔并暴露出第一金属电极层100。电热绝缘层的材料可以为SiO

S102：对绝缘层再一次进行图形化，依次交替沉积开关层B和二维材料层A交替堆叠形成BA不对称结构。

如图8所示，对绝缘层再一次进行图形化，依次交替沉积开关层B和二维材料层A交替堆叠形成BA不对称结构。其中，二维材料层A的材料可以为石墨烯、MoSx、WSx、BN、MoSex、MoTex、WSex、WTex、TiSex、黑磷中的任意一种。

开关层B为硫系化合物薄膜，硫系化合物可以包括GeSe、ZnSe、AlSe、SbSe、SbSe

S103：在电热绝缘层上制备活性金属硫化物层202。

在一些实施例中，如图9所示，在电热绝缘层上制备活性金属硫化物层202。活性金属硫化物层202厚度为15～30nm，活性金属硫化物层202的材料为包括AgS、CuS、NiS、CoS的任意一种。

在制作如图3所示的选通管器件时，S13：在第一金属电极层100上制备选通层200，包括：

S201：在衬底400上制备活性金属硫化物层202。

在一些实施例中，如图10所示，在衬底400上制备活性金属硫化物层202。活性金属硫化物层202厚度为15～30nm，活性金属硫化物层202的材料为AgS、CuS、NiS、CoS的任意一种。

S202：在活性金属硫化物层202上制备电热绝缘层，并对电热绝缘层进行图形化得到纳米孔并暴露出活性金属硫化物层202。

在一些实施例中，如图11所示，在活性金属硫化物层202上制备电热绝缘层，并对电热绝缘层进行图形化得到纳米孔并暴露出活性金属硫化物层202。电热绝缘层的材料可以为SiO

S203：对绝缘层再一次进行图形化，依次交替沉积二维材料层A和开关层B交替堆叠形成AB不对称结构。

如图12所示，对绝缘层再一次进行图形化，依次交替沉积二维材料层A和开关层B交替堆叠形成AB不对称结构。其中，二维材料层A的材料可以为石墨烯、MoSx、WSx、BN、MoSex、MoTex、WSex、WTex、TiSex、黑磷中的任意一种。

开关层B为硫系化合物薄膜，硫系化合物包括GeSe、ZnSe、AlSe、SbSe、SbSe

在制作如图4所示的选通管器件时，S13：在第一金属电极层100上制备选通层200，包括：

S301：在衬底400上制备活性金属硫化物层202。

在一些实施例中，如图13所示，在衬底400上制备活性金属硫化物层202。活性金属硫化物层202厚度为15～30nm，活性金属硫化物层202的材料为AgS、CuS、NiS、CoS的任意一种。

S302：在活性金属硫化物层202上制备电热绝缘层，并对电热绝缘层进行图形化得到纳米孔并暴露出活性金属硫化物层202。

在一些实施例中，如图14所示，在活性金属硫化物层202上制备电热绝缘层，并对电热绝缘层进行图形化得到纳米孔并暴露出活性金属硫化物层202。电热绝缘层的材料可以为SiO

S303：对电热绝缘层再一次进行图形化，依次交替沉积二维材料层A和开关层B交替堆叠形成ABA对称结构。

如图12所示，对电热绝缘层再一次进行图形化，依次交替沉积二维材料层A和开关层B交替堆叠形成ABA不对称结构。其中，二维材料层A的材料可以为石墨烯、MoSx、WSx、BN、MoSex、MoTex、WSex、WTex、TiSex、黑磷中的任意一种。

开关层B为硫系化合物薄膜，硫系化合物包括GeSe、ZnSe、AlSe、SbSe、SbSe

S304：在电热绝缘层201上制备活性金属硫化物层202。

在一些实施例中，如图13所示，在电热绝缘层201上制备活性金属硫化物层202。活性金属硫化物层202厚度为15～30nm，活性金属硫化物层202的材料为包括AgS、CuS、NiS、CoS的任意一种。

可选地，在沉积二维材料层A之后，还包括：

对二维材料层A进行离子束轰击，以调节二维材料层A表面缺陷的大小。使用不同的离子束轰击时可以产生大小不同的缺陷，当离子束的密度较小，轰击时间较少时可以产生较小的缺陷，进而产生较细的导电丝，使选通管具有较大的开关比，当离子束的密度较大，轰击时间较大时可以产生较大的缺陷，进而产生较粗的导电丝，使选通管具有低阻高，阈值大，循环特性好等优势。

S14:在选通层200上制备第二金属电极层300，第二金属电极层300为惰性电极。

可选地，第二金属电极层300为惰性电极，惰性电极层材料包括Pt、Ti、W、Au、Ru、Al、TiW、TiN、TaN、IrO

下面以具体实施例进行说明，如图2所示的选通管器件的具体制备方法：

S21：在晶相为<100>、表面有一层二氧化硅的硅衬底上通过磁控溅射制备一层第一金属电极，第一金属电极厚度为100nm，第一金属电极材料为铂。

S22：在底电极上制备一层电热绝缘层，电热绝缘层的厚度为100nm，材料为SiO2。

S23：在电热绝缘层上利用图形化工艺制备出纳米孔，孔径为50nm，深度为100nm。

S24：向纳米孔中依次填入单层的GeSe和MoS

S25：在电热绝缘层的表面上进行光刻，然后再在电热绝缘层上制备一层厚度为20nm的活性金属硫化物CuS材料和厚度为100nm的顶电极层电极铂，然后经过剥离，得到本申请的具有二维材料新型结构的选通管。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。