纳米结构快速开关忆阻器及其制造方法

摘要

纳米结构快速开关忆阻器及其制造方法，涉及到一种纳米结构忆阻器结构与制造方法，它克服了现有的忆阻器制造模型开关速度相对比较低的问题。本发明的纳米结构快速开关忆阻器包括有三层纳米膜，分别为P型半导体层、中性半导体层和N型半导体层，所述忆阻器的两个电极还可以采用交叉布置的方式。本发明的制作方法中，采用电解的方法在多孔模板的纳米孔洞中制作纳米金属线，所述纳米金属线用于连接三层纳米膜和电极，所述的三层纳米膜采用磁控溅射的方法获得，最后采用压印技术制备忆阻器的电极引线。本发明所述的忆阻器的开关速度快，更适用于在即将出现的更快、更节能的即开型PC或模拟式计算机中实现存储数据功能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种忆阻器结构及其制作方法，具体涉及到一种纳米结构的快速开关忆阻器及其制造方法。

背景技术

目前现有的忆阻器的结构是美国专利US20080090337A1公开的结构，美国惠普公司实验室研究人员Dmitri B.Strukov，Gregory S.Snider，Duncan R.Stewart&R.Stanley Williams在2008年5月1日出版的英国《自然》杂志上发表论文The missing memristor found宣称，他们已经证实了电路世界中的第四种基本元件——记忆电阻器，简称忆阻器(Memristor)的存在，并成功设计出一个能工作的忆阻器实物模型。他们像制作三明治一样，将纳米级的二氧化钛半导体薄膜TiO_2-x/TiO₂夹在由铂制成的两根纳米线之间，做成Pt/TiO_2-x/TiO₂/Pt纳米结构，制作忆阻的窍门是使其组成部分只有5纳米大小，也就是说，仅相当于人一根头发丝的1万分之一那么细。公知的忆阻器制造模型实际上就是一个有记忆功能的非线性电阻器，通过控制电流的变化可改变其阻值，如果把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”，则这种电阻就可以实现存储数据的功能。公知的忆阻器制造模型是由两根铂纳米线之间夹一层纳米级的缺氧二氧化钛薄膜和中性二氧化钛薄膜构成，虽然结构简单，但是开关速度相对比较低。

发明内容

为了克服现有的忆阻器制造模型开关速度相对比较低的问题，本发明提供一种纳米结构快速开关忆阻器及其制造方法。

本发明的纳米结构快速开关忆阻器，它包括上电极、下电极，它还包括三层纳米膜，所述三层纳米膜由N型半导体层、中性半导体层和P型半导体层叠加组成，其中P型半导体层与上电极电气连接，N型半导体层与下电极电气连接。

本发明还提供一种纳米结构快速开关忆阻器，它包括公共电极、两个多孔模板、多个上电极和三层纳米膜，所述三层纳米膜由P型半导体层、中性半导体层和N型半导体层叠加组成，所述多孔模板中带有多个相互独立的纳米直径的通孔，所述多个纳米直径的通孔呈矩阵式排列，并且每个纳米直径通孔中嵌有贯穿的纳米金属线，其中一个多孔模板的上表面与N型半导体层的下表面连接，所述多孔模板的下表面连接公共电极，并且所述公共电极通过所述多孔模板中的多条纳米金属线与N型半导体层电气连接；另一个多孔模板的下表面连接P型半导体层的上表面，所述多孔模板的上表面上固定有多个上电极，每个上电极通过所述多孔模板中的一条纳米金属线与P型半导体层电气连接。

上述纳米结构快速开关忆阻器的制作方法的具体过程为：

步骤一、在一个多孔模板的下表面采用真空镀膜的方法蒸镀一层金或铂金属膜作为公共电极；

步骤二、在镀得的金属膜上焊接一条用于连接直流电源负极的导线；

步骤三、将步骤二获得的多孔模板放入电解槽中进行电解，在多孔模板的通孔中形成纳米金属线，并且所述纳米金属线的端头与多孔模板的上表面平齐；

步骤四、将步骤三获得的多孔模板放入磁控溅射机中，在所述多孔模板的上表面溅射一层厚度为1nm至33nm的N型半导体层，然后再溅射一层厚度为1nm至33nm的中性半导体层，然后再溅射一层厚度为1nm至33nm的P型半导体层；

步骤五、将带有纳米金属线的多孔模板与P型半导体层采用界面原位合金化的方法电气连接在一起，形成上电极；

步骤六、将带有纳米金属线的多孔模板与N型半导体层采用界面原位合金化的方法电气连接在一起，形成下电极；

步骤七、在与P型半导体层17连接的带有纳米金属线的多孔模板的上表面采用激光刻蚀或压印技术制备忆阻器的多个上电极；

步骤八、对步骤一至七获得的纳米结构忆阻器单元开关阵列采用封装测试工艺进行封装。

本发明还提供另一种纳米结构快速开关忆阻器，它包括一对上电极、一对下电极、两根纳米金属线和三层纳米膜，所述一对上电极、一对下电极和两根纳米金属线以三层纳米膜为中心、交叉布置，所述三层纳米膜由N型半导体层、中性半导体层和P型半导体层叠加组成，其中P型半导体层通过一根纳米金属线同时与一对上电极电气连接，N型半导体层通过另一根纳米金属线同时与一对下电极电气连接。

本发明的结构与美国专利US20080090337A1公开的结构的不同之处在于，在两个铂纳米线之间增加了一层P型半导体层17，形成双注入效应。

本发明所述的忆阻器单元快速开关，是一种有记忆功能的非线性电阻器，即通过控制电流的变化可改变其阻值，如果把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”，则这种电阻也可以实现存储数据的功能，而且在与专利US20080090337A1公开的结构中元件长度D相同的情况下，本发明所述的忆阻器的开关速度提高1倍。

本发明的纳米结构忆阻器的制造方法简单，制造成本低，制造获得的忆阻器开关速度更快，能够满足目前数字电子领域对开关速度越来越快的要求，为将出现的更快更节能的即开型PC或模拟式计算机提供可以实现存储数据功能的新型忆阻器快速开关元件结构。

附图说明

图1是纳米结构快速开关忆阻器的理想结构示意图，图2是纳米结构快速开关忆阻器存在金属与半导体材料之间的接触势垒的理想结构示意图。图3是纳米结构快速开关忆阻器结构的纳米结构忆阻器单元开关开始启动或切换到开状态时的立体结构示意图；图4是图3所示的处于开状态的纳米结构忆阻器单元开关的平面结构示意图；图5为处于开状态下的纳米结构忆阻器单元开关的等效电路示意图；图6是为处于开状态的纳米结构忆阻器单元开关的能带图。图7是纳米结构快速开关忆阻器的纳米结构忆阻器单元开关开始启动或切换到关闭状态时的立体结构示意图。图8是图7所示的处于关闭状态的纳米结构忆阻器单元开关的平面结构示意图；图9是处于关闭状态的纳米结构忆阻器单元开关的等效电路示意图；图10是处于关闭状态的纳米结构忆阻器单元开关的能带图。图11是处于中间状态的纳米结构忆阻器单元开关的平面结构示意图；图12是处于中间状态的纳米结构忆阻器单元开关的等效电路示意图；图13是处于中间状态的纳米结构忆阻器单元开关的能带图。图14是本发明所述的纳米结构快速开关忆阻器结构中内部杂质运动和等效电阻的示意图。图15是由纳米结构忆阻器单元开关组成的纳米结构忆阻器阵列模型示意图。图16是图15的正视图，图17是图15所示的纳米结构忆阻器阵列结构中的一个单元开关的理想结构示意图，图18是图17所示的单元开关存在金属与半导体材料之间的接触势垒的结构图。图19是具体实施方式一所述的纳米结构忆阻器阵列的结构示意图。图20至图27是具体实施方式一所述的纳米结构忆阻器阵列的制作方法中各步获得产品结构示意图。图28是具体实施方式二所述的纳米结构忆阻器结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、本实施方式所述的纳米结构快速开关忆阻器结构参见图19所示，它包括上电极1、下电极2和三层纳米膜，所述三层纳米膜由N型半导体层15、中性半导体层16和P型半导体层17叠加组成，其中P型半导体层17与上电极1电气连接，N型半导体层15与下电极2电气连接。

本实施方式中所述的三层纳米膜中的每一层纳米层的厚度相同或不相同均可，三层纳米膜的总厚度小于100nm，并大于3nm。

本实施方式中，每一层的纳米膜的厚度为1nm至33nm，一般取值为5nm至26nm之间，最佳厚度为26nm±5nm。

本实施方式所述的纳米结构快速开关忆阻器结构，在实际制作过程中，在N型半导体层15与下电极2之间存在金属与半导体材料之间的接触势垒20，参见图2所示。

本实施方式所述的P型半导体层17与上电极1电气连接、以及N型半导体层15与下电极2电气连接均采用纳米金属线实现，所述金属可以采用Pt。

所述N型半导体层15的材料为T_iO_2-x缺氧纳米材料；所述中性半导体层16的材料为T_iO₂中性纳米材料；所述P型半导体层17的材料为T_iO_2+x富氧纳米材料。

本实施方式所述的纳米结构快速开关忆阻器的开关工作原理参见图1至图14进行说明：

图1是纳米结构快速开关忆阻器的理想结构示意图，图2是纳米结构快速开关忆阻器存在金属与半导体材料之间的接触势垒的理想结构示意图。根据图1和图2所示的结构说明纳米结构快速开关忆阻器的开关的工作原理。

当纳米结构快速开关忆阻器的开关开始启动或切换到开状态时的工作原理参见图3所示。上电极1连接直流电源的负极，下电极2连接所述直流电源的电源地，则在电场的作用下，负电荷沿P型半导体层17向中性半导体层16方向运动，同时正电荷沿N型半导体层15向中性半导体层16方向运动，此时纳米结构快速开关忆阻器的单元电阻最小，即处于所述开关忆阻器处于开状态。

图4为处于开状态的纳米结构快速开关忆阻器的开关的平面结构示意图，其中W表示三层纳米膜的厚度，t为所述纳米结构忆阻器单元开关的截面的边长或直径。图5为图4所示状态下的纳米膜结构忆阻器单元开关的等效电路示意图，其中R_v表示P型半导体层17或N型半导体层15的等效电阻值，R_S表示中性半导体层16的等效电阻；图6是处于开状态的纳米结构忆阻器单元开关的能带图，纵坐标E的方向为能级，10表示金属与P型半导体层17的接触势垒，11表示表示金属与N型半导体层15的接触电势差。

所述纳米结构快速开关忆阻器的开关开始启动或切换到关闭状态时的工作原理参见图7所示。上电极1连接直流电源的正极，下电极2连接所述直流电源的电源地，则在电场的作用下，负电荷沿中性半导体层16向P型半导体层17的方向运动，同时正电荷沿中性半导体层16向N型半导体层15方向运动。

图8是所述纳米结构忆阻器单元开关处于关闭状态的平面结构示意图，其中D为此状态下三层纳米膜的原厚度，t为所述纳米结构忆阻器单元开关的截面的边长或直径，该忆阻器单元开关的截面可以是正方形、或者其它任何形状的图形，图9表示处于关闭状态的纳米结构忆阻器单元开关的等效电路图，其中W₀表示P型半导体层17或者N型半导体层15此时的厚度，图10是处于关闭状态的纳米结构忆阻器单元开关的能带图。

图11是所述纳米结构忆阻器单元开关处于中间状态的平面结构示意图，其中W₁和W₂分别表示N型半导体层15或者P型半导体层17此时的等效厚度，图12表示处于中间状态的纳米结构忆阻器单元开关的等效电路图，其中W(t)表示随时间变化的P型半导体层17或者N型半导体层15的厚度，图13是处于中间状态的纳米结构忆阻器单元开关的能带图。

图14是本实施方式所述的纳米结构忆阻器开关单元内部杂质运动和等效电阻的示意图，其中R_v表示P型半导体层17或N型半导体层15的等效电阻值，R_S表示中性半导体层16等效电阻。

参见图19说明本实施方式的一个具体实施例。所述纳米结构快速开关忆阻器包括公共电极20、两个多孔模板12、多个上电极1和三层纳米膜，所述三层纳米膜由P型半导体层17、中性半导体层16和N型半导体层15叠加组成，所述多孔模板12中带有多个相互独立的纳米直径的通孔，所述多个纳米直径的通孔呈矩阵式排列，并且每个纳米直径通孔中嵌有贯穿的纳米金属线14，其中一个多孔模板12的上表面与N型半导体层15的下表面连接，所述多孔模板12的下表面连接公共电极20，并且所述公共电极20通过所述多孔模板12中的多条纳米金属线14与N型半导体层15电气连接；另一个多孔模板12的下表面连接P型半导体层17的上表面，所述多孔模板12的上表面上固定有多个上电极1，每个上电极1通过所述多孔模板12中的一条纳米金属线14与P型半导体层17电气连接。

上述实施例的结构是一种纳米结构快速开关忆阻器单元开关阵列结构。

上述纳米结构快速开关忆阻器的制作方法的具体过程参见图20至图27进行说明，其中图20为多孔模板12的结构示意图：

步骤一、在一个多孔模板12的下表面采用真空镀膜的方法蒸镀一层金或铂金属膜作为公共电极20；参见图21所示；

步骤二、在镀得的金属膜上焊接一条用于连接直流电源负极的导线；

步骤三、将步骤二获得的多孔模板放入电解槽中进行电解，在多孔模板的通孔121中形成纳米金属线14，并且所述纳米金属线14的端头与多孔模板12的上表面平齐；

步骤四、将步骤三获得的多孔模板放入磁控溅射机中，在所述多孔模板12的上表面溅射一层厚度为1nm至33nm的N型半导体层15，然后再溅射一层厚度为1nm至33nm的中性半导体层16，然后再溅射一层厚度为1nm至33nm的P型半导体层17；

步骤五、将带有纳米金属线14的多孔模板18与P型半导体层17采用界面原位合金化的方法电气连接在一起，形成上电极；

步骤六、将带有纳米金属线14的多孔模板12与N型半导体层15采用界面原位合金化的方法电气连接在一起，形成下电极；

步骤七、在与P型半导体层17连接的带有纳米金属线14的多孔模板18的上表面采用激光刻蚀或压印技术制备忆阻器的多个上电极1；

步骤八、对步骤一至七获得的纳米结构忆阻器单元开关阵列采用封装测试工艺进行封装。

本实施方式中所述的纳米金属线14可以采用Pt纳米线，则在步骤三中的电解过程为：

电解槽中的电解液，是用18M的去离子水配成0.01Mol的H₂PtCl₆与0.2Mol的H₂SO₄的混合液体，所述混合液体的PH值为3，多孔膜板作为负电极完全浸入到所述电解液中，金属铂电极作为正电极位于电解液中、并与所述多孔模板的上表面向对，所述金属铂电极与所述多孔模板相对的平面的表面积大于或等于所述多孔模板的表面积；在所述正电极和负电极之间接通电流为0.45mA的直流恒流源并持续16分钟至25分钟；在持续时间内对电解液施加频率为20Hz的正弦交变电场并进行磁力搅拌，实验温度为325K。

电解液中的Pt离子在电场和磁场的作用下沉积在多孔模板的纳米直径的通孔内形成Pt纳米线，所述Pt纳米线的端头与多孔模板的上表面平齐。

本实施方式所述的多孔模板12为内部均匀分布有多个相互平均的通孔121的模板，所述通孔121的直径为纳米级。

所述多孔模板12可以采用具有直径是纳米孔洞的多孔Al₂O₃模板，或采用聚碳酸脂合成方法制备的具有纳米直径通孔洞模板。

所述N型半导体层15的材料可以采用掺Fe的T_iO_2-x缺氧纳米材料；所述中性半导体层16的材料可以采用T_iO₂中性纳米材料；所述P型半导体层17的材料可以采用T_iO_2+x富氧纳米材料。

具体实施方式二、参见图28说明本实施方式。本实施方式所述的纳米结构快速开关忆阻器包括一对上电极21、一对下电极22、两根纳米金属线和三层纳米膜30，所述一对上电极21、一对下电极22和两根纳米金属线以三层纳米膜30为中心、交叉布置，所述三层纳米膜30由N型半导体层15、中性半导体层16和P型半导体层17叠加组成，其中P型半导体层17通过一根纳米金属线同时与一对上电极21电气连接，N型半导体层15通过另一根纳米金属线同时与一对下电极22电气连接。

所述三层纳米膜30与具体实施方式一所述的相同。

所述两根纳米金属线可以采用Pt纳米线实现，所述Pt纳米线可以采用Quanta30型聚焦电子束(FEB)/离子束(FIB)双束诱导刻蚀系统制备出Pt纳米线交叉互连线，所述三层纳米膜30的制备方法与具体实施方式一相同。

采用本实施方式所述的纳米结构快速开关忆阻器组成的忆阻器阵列参见图15所示，它由多个本实施方式所述的纳米结构快速开关忆阻器组成，所述多个纳米结构快速开关忆阻器排列成矩阵型，相邻两个纳米结构快速开关忆阻器的上电极21相互连接形成上电极阵列，相邻两个纳米结构快速开关忆阻器的下电极22相互连接形成下电极阵列，在上电极阵列和下电极阵列之间为三层纳米膜阵列。

图16是图15的正视图，图17是图15所示的纳米结构忆阻器阵列结构中的一个单元开关结构的结构示意图，所述单元开关结构是图1所示的理想单元结构采用交叉线配置的结构，所述单元开关结构存在金属与半导体材料之间的接触势垒20的理想结构示意图参见图18所示。