一种基于PVK/ZnO异质结构的新型光电忆阻器的制作方法

一种基于pvk/zno异质结构的新型光电忆阻器
技术领域
1.本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种基于pvk/zno异质结构的新型光电忆阻器。


背景技术：

2.忆阻器是一种非线性电阻，器件的阻值能够随输入(电流或电压)的变化而发生改变，通过阻值的变化记忆流经器件的电荷或磁通。通过引入光调控信号可以将纯电子元器件忆阻器改进成光电忆阻器，以便更好地模拟视觉系统中的神经突触，将会进一步推动人工智能类脑神经计算的快速发展。
3.pvk(聚乙烯基咔唑)是常见的有机材料，与其他有机材料相比更适合用于制备有机光电忆阻器，但是受限于有机物电阻转变机理不够明确、材料稳定性较差等原因存在稳定性差、可重复次数低等问题，传统pvk光电忆阻器可重复性差，高低阻态转变不够稳定，对温度变化比较敏感。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于pvk/zno异质结构的新型光电忆阻器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.一种基于pvk/zno异质结构的新型光电忆阻器，所述新型光电忆阻器自下而上依次包括：硅衬底、钨电极层、氧化锌层、聚乙烯基咔唑层和铝电极。
6.在本发明的一个实施例中，所述铝电极包括第一铝电极、第二铝电极和第三铝电极；第一铝电极、第二铝电极和第三铝电极从左到右依次位于所述聚乙烯基咔唑层上表面。
7.在本发明的一个实施例中，所述氧化锌层的厚度为20nm。
8.本发明的有益效果：
9.本发明在传统pvk光电忆阻器的基础上，引入具有高稳定性和高电子迁移率的氧化锌功能层，能够改善pvk光电忆阻器的忆阻性能。
10.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
11.图1是传统pvk光电忆阻器结构示意图；
12.图2是本发明实施例提供的一种pvk/zno异质结构的新型光电忆阻器结构示意图；
13.图3是本发明实施例提供的一种氧化锌材料中金属导电丝的形成和断裂示意图；
14.图4是本发明实施例提供的一种传统pvk光电忆阻器测试结果示意图；
15.图5是本发明实施例提供的一种pvk/zno异质结构的新型光电忆阻器测试结果示意图。
16.附图标记说明：
17.硅衬底1、钨电极层2、氧化锌层3、聚乙烯基咔唑层4、第一铝电极51、第二铝电极
52、第三铝电极53。
具体实施方式
18.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
19.参见图1，图1是传统pvk光电忆阻器结构示意图。传统pvk光电忆阻器可重复性差，高低阻态转变不够稳定，对温度变化比较敏感。针对该问题，本发明在传统pvk光电忆阻器基础上提出了一种基于pvk/zno异质结构的新型光电忆阻器。
20.实施例一
21.请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于pvk/zno异质结构的新型光电忆阻器示意图，所述新型光电忆阻器自下而上依次包括：
22.硅衬底1、钨电极层2、氧化锌层3、聚乙烯基咔唑层4和铝电极5。
23.光电忆阻器工作时，为了保证光电材料表面不被遮挡，以将忆阻器的光电性能发挥到最好，因此，本发明提出的基于pvk/zno异质结构的新型光电忆阻器中的pvk层设置在氧化锌层之上。
24.所述氧化锌(zno)层又可称为氧化锌功能层；所述聚乙烯基咔唑(pvk)层又可称为聚乙烯基咔唑功能层。所述聚乙烯基咔唑层是一层薄膜。
25.需要说明的是，以氧化锌为代表的过渡金属氧化物晶格结构致密均匀，表现出极强的稳定性，较高的熔点(氧化锌熔点m.p.＝1975℃)表明其性能表现基本不受温度变化的影响。氧化锌作为一种宽带隙半导体，具有单极电阻开关行为和较高的电子迁移率，还具有较高的透明度和优异的常温发光性能。
26.氧化锌在电初始化过程中，氧离子比锌离子具有更高的迁移率，在外加电场和热效应作用下，氧离子向阳电极迁移留下氧空位，随着外加电压升高，阴极附近的氧空位逐渐聚集，外部偏置电压提供的电子使材料内部电荷平衡，当氧空位浓度升高到某一定值时，电极附近的氧空位重新排列形成有序的导电结晶锌丝(由zn和zno
1-x
共同组成)，金属导电丝将进一步导致电场增强，使其在同一区域内连续生长，此时材料表现为低阻状态。当外部偏置电压达到一定值时，导电丝生长至将上下两个电极连接起来，此时氧化锌中的电场开始减小，电场引起的氧离子迁移留下氧空位过程受到抑制，阳极附近高浓度氧离子会迅速回填至氧空位，氧离子回填以及外部电场积累产生的焦耳热共同作用于导电细丝，使得导电细丝断裂分解，材料表现出高阻状态。请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种氧化锌材料中金属导电丝的形成和断裂示意图，从氧化锌材料忆阻机理可以看出，其内部导电细丝的形成与断裂过程明确，忆阻机制稳定。综合考虑材料特性及忆阻机理，氧化锌忆阻器与有机材料忆阻器相比稳定性更好，可重复次数更多，对温度变化更不敏感。
27.基于上述机理，本发明将pvk与氧化锌结合，实现一种基于pvk/zno异质结构的新型光电忆阻器。
28.可选的，所述铝电极5包括第一铝电极51、第二铝电极52和第三铝电极53。
29.第一铝电极、第二铝电极和第三铝电极从左到右依次位于所述聚乙烯基咔唑层上表面。
30.为了减少铝电极对光电材料的影响，本发明所述铝电极需要在不影响导电性能的
前提下尽可能小。
31.可选的，所述氧化锌层的厚度为20nm。
32.需要说明的是，所述氧化锌层的厚度由本领域技术人员根据业务需要进行设置。经过多次实验验证，本发明所述氧化锌层的厚度优先选用20nm。
33.综上，本发明在al/pvk/w/si结构的光电忆阻器基础上，引入具有高稳定性、高电子迁移率的氧化锌功能层，能够提高pvk光电忆阻器的稳定性、可重复性等。
34.进一步地，基于实验测试，对本发明有益效果进行验证。
35.使用i-v测试探针台psm-1000，在显微镜下对顶电极(铝电极)与底电极(硅衬底)扎探针通电进行i-v测试，参见图4是本发明实施例提供的一种传统pvk光电忆阻器测试结果示意图；参见图5是本发明实施例提供的一种pvk/zno异质结构的新型光电忆阻器测试结果示意图。
36.由图4和图5可以看出，两种pvk光电忆阻器均表现出了明显的忆阻特性曲线，并且氧化锌功能层的引入虽然会增加电极之间功能层的厚度，但是并没有导致新型pvk光电忆阻器中工作电流的减小，这得益于氧化锌材料高的电子迁移率。图4和图5对比可以看出，5次重复扫描结果显示本发明提出的新型pvk光电忆阻器的可重复性和稳定性相比于传统pvk光电忆阻器有很大的提升和改善，电流误差值的计算结果表明氧化锌功能层的使用使得忆阻器中的误差电流减小了一个数量级，这与我们的预期结果相符，即，通过引入忆阻机制明确、稳定性高的氧化锌材料，能够解决传统有机光电忆阻器可重复性差、高低阻态转变不够稳定、对温度变化比较敏感等问题。
37.实施例二
38.本发明提供一种基于pvk/zno异质结构的新型光电忆阻器的制备方法，所述制备方法包括：
39.步骤1：在硅衬底层上表面，通过沉积处理得到钨电极层。
40.可选的，所述步骤1包括：
41.通过磁控溅射设备，在硅衬底层上表面进行沉积处理，以得到钨电极层。
42.示例如，所述磁控溅射设备为msp-3470x。
43.步骤2：按照预设溅射参数，在钨电极层上表面，通过溅射处理得到氧化锌层。
44.可选的，所述预设溅射参数包括预设靶材、预设溅射时间、预设溅射功率。
45.可选的，所述预设靶材为：纯度为99.99％的zno陶瓷靶；所述预设溅射时间为30分钟；所述预设溅射功率为77w。
46.本发明通过预设溅射参数能够灵活控制溅射出的膜内部特性，示例如，通过改变预设溅射时间，能够改变氧化锌层的厚度。
47.步骤3：在氧化锌层上表面，通过烘烤和退火处理得到聚乙烯基咔唑层。
48.可选的，所述步骤3包括：
49.步骤3-1：将溶于1,2-二氯乙烷中的聚乙烯基咔唑溶液旋涂在氧化锌层上表面。
50.步骤3-2：对旋涂后的氧化锌层进行烘烤处理。
51.步骤3-3：对烘烤处理后的氧化锌层进行退火处理，以氧化锌层上表面得到聚乙烯基咔唑层。
52.步骤4：在聚乙烯基咔唑层上表面，通过金属掩膜板溅射处理得到铝电极，以完成
忆阻器的制备。
53.本发明制备的基于pvk/zno异质结构的新型光电忆阻器，能够使用磁控溅射设备msp-3470x在裸硅衬底上沉积而成，氧化锌功能层通过改变磁控溅射设备中的靶材、溅射时间和溅射功率在钨电极上制备得到，之后分别将溶于1,2-二氯乙烷中的pvk溶液旋涂在zno上表面，烘烤成膜后进行退火处理得到致密的pvk薄膜，最后，利用金属掩膜板溅射沉积铝电极完成光电忆阻器的制备。
54.综上，本发明在传统pvk光电忆阻器的基础上，引入具有高稳定性和高电子迁移率的氧化锌功能层，能够改善pvk光电忆阻器的忆阻性能。
55.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。