一种自供电的相变存储器及其制备方法

本发明涉及微电子器件制备，具体为一种自供电的相变存储器及其制备方法。

背景技术：

1、相变存储器是基于硫系化合物相变效应的非易失性半导体存储器件，核心结构通常包含上下电极层、相变功能层及介质隔离结构，依靠电脉冲产生的焦耳热驱动相变材料在晶态与非晶态之间可逆切换，利用两种物态下显著的电阻差异实现二进制数据的写入、擦除与读取，具备纳秒级读写速度、较高存储密度与优异的数据非易失保持特性。自供电相变存储器是面向低功耗电子系统发展的存储技术分支，通常将环境能量收集单元与相变存储单元进行集成制备，可从周边环境中采集光能、热能或机械能并转化为电能，为存储单元的读写操作提供运行能量，无需完全依赖外接电源供电，可广泛应用于物联网传感节点、无源射频识别标签、可穿戴电子设备等场景，适配分布式边缘计算架构下的低功耗存储需求。

2、尽管相变存储器凭借非易失性与纳秒级读写速度在边缘计算存储领域展现出显著优势，但其在边缘场景下面临的供能不稳定问题已成为关键应用瓶颈。边缘设备常部署于野外变电站、工厂电网末端等供电波动频繁的环境，而传统相变存储器的相变过程需毫安级电流，对能量供应的稳定性极为敏感，供电中断或波动易造成相变过程中途停止，使相变材料停留在中间电阻态，引发数据写入错误或丢失；目前基于光电转换的光驱动自供电存储方案仍存在明显不足，均质组分的光电转换层载流子定向输运动力弱、体内复合率高，光电转换效率偏低，弱光或光照波动环境下输出电能无法支撑完整相变过程，难以保障无源场景下存储运行的可靠性。

技术实现思路

1、解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种自供电的相变存储器及其制备方法，解决了传统相变存储器依赖外接稳定电源、难以适配边缘复杂供能环境的问题，同时解决了光电－相变集成方案中光电转换效率低、输出电流密度不足，以及相变存储单元制备一致性差、接触电阻高、器件良率与可靠性低的问题。

3、技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

5、一种自供电的相变存储器，采用垂直堆叠集成架构，自底向上依次包括透明导电基底、光电转换层、连接电极层、绝缘介质层、相变材料层与顶电极层；所述透明导电基底兼具衬底支撑与底部电学引出功能；所述光电转换层用于将入射光能转化为定向电能，为相变单元供能；所述连接电极层用于构建层间导电通路，保证界面欧姆接触；所述绝缘介质层内设有贯穿至连接电极层的通孔，用于单元隔离与相变区域限域；所述相变材料层填充于通孔内，通过焦耳热效应实现晶态/非晶态可逆相变，完成数据读写；所述顶电极层用于相变存储单元的上端电学引出。

6、优选的，所述光电转换层采用钙钛矿材料或有机光伏材料；所述钙钛矿材料包括有机-无机杂化钙钛矿、全无机钙钛矿、无铅钙钛矿，化学通式为abx3，其中a为甲胺基、甲脒基或铯离子，b为铅、锡或锗离子，x为卤素离子；所述有机光伏材料包括聚合物给体材料、小分子给体材料、非富勒烯受体材料、富勒烯受体材料，其中给体材料包括pm6、pbdb-t、ptb7-th，受体材料包括y6、qx-5f-br、pc61bm、it-4f。

7、优选的，所述相变材料层采用硫系化合物相变材料，具体为gesbte、gete、sbte、bite、单质sb中的任意一种或任意组合，或为上述材料中掺入s、n、o、cu、si、cr、y、sc、ti、ni中至少一种元素形成的掺杂体系；所述连接电极层采用金属金或金属银材料，所述绝缘介质层采用氧化硅材料，所述顶电极层采用ti/pt复合金属层或金属钨材料。

8、一种自供电的相变存储器及其制备方法，应用于权利要求1-3任一项所述的一种自供电的相变存储器，还包括以下步骤：

9、s1、选取带有透明导电基底的ito导电玻璃作为衬底，在透明导电基底的上表面制备光电转换层；

10、s2、在光电转换层的上表面制备连接电极层；

11、s3、在连接电极层的上表面沉积绝缘介质层；

12、s4、对绝缘介质层进行光刻曝光与刻蚀加工，形成贯穿至连接电极层的通孔结构；

13、s5、在带有通孔结构的绝缘介质层表面沉积相变材料层，使相变材料填充至通孔内部并覆盖绝缘介质层的上表面；

14、s6、在相变材料层的上表面制备顶电极层，完成自供电相变存储器的垂直堆叠集成制备。

15、优选的，步骤s1中，所述光电转换层采用溶液旋涂法或气相沉积法制备；当采用钙钛矿材料时，光电转换层的厚度控制为300nm~800nm；当采用有机光伏材料时，光电转换层的厚度控制为100nm~300nm。

16、优选的，步骤s1中，当采用钙钛矿材料制备光电转换层时，采用分步旋涂工艺制备卤素组分梯度分布的钙钛矿薄膜；自透明导电基底一侧至连接电极层一侧，钙钛矿材料中的卤素原子摩尔占比逐步递增，形成连续渐变的能带结构，强化光生载流子的定向输运能力，降低载流子体内复合概率。

17、优选的，步骤s5中，所述相变材料层采用磁控溅射工艺或原子层沉积工艺制备，整体厚度控制为50nm~100nm。

18、优选的，步骤s5中，采用磁控溅射工艺沉积相变材料层时，同步对衬底施加-50v~-200v的负偏压，通过偏压电场驱动溅射出来的相变材料粒子定向加速运动，增强相变材料在通孔底部与侧壁的沉积均匀性，形成共形覆盖的相变材料层，降低通孔底部相变材料与连接电极层之间的接触电阻。

19、优选的，步骤s2中，所述连接电极层采用真空热蒸发法制备，厚度控制为10nm~20nm；步骤s3中，所述绝缘介质层采用等离子体增强化学气相沉积法制备，厚度控制为80nm~120nm；步骤s4中，采用电子束曝光工艺制备通孔图形，采用干法刻蚀加工通孔结构，通孔结构的半径控制为100nm~500nm，刻蚀深度与绝缘介质层的厚度一致；步骤s6中，所述顶电极层采用磁控溅射法制备，厚度控制为80nm~120nm。

20、有益效果

21、与现有技术相比，本发明提供了一种自供电的相变存储器及其制备方法，具备以下有益效果：

22、1.该一种自供电的相变存储器及其制备方法，通过梯度组分光电转换层的设置，使得钙钛矿或有机光电薄膜内部形成连续渐变的能带排布，为光激发产生的载流子提供额外的定向输运动力，大幅降低载流子在薄膜内部的复合概率，提升单位入射光强下的输出电流密度与光电转换效率，达到了无需外接电源即可为相变存储单元提供充足稳定的操作电能，保障相变材料完成完整的晶态与非晶态转变，避免中间电阻态引发的数据写入错误与数据丢失，提升自供电相变存储器在边缘不稳定供能场景下工作可靠性的效果。

23、2.该自供电相变存储器的制备方法，通过绝缘介质层通孔限域结构与偏压辅助共形沉积的相变材料层的配合设置，使得相变材料粒子在电场偏压的驱动下定向加速沉积，有效削弱溅射过程中的阴影效应，在高深宽比的通孔底部与侧壁形成厚度均匀的共形覆盖层，降低相变材料与底部连接电极的接触电阻，达到了缩小不同存储单元之间的相变操作阈值离散度，提升器件批量制备的良率与性能一致性，保证各存储单元读写参数统一稳定，降低器件整体功耗波动的效果。