[发明专利]一种用于过电压保护的电阻开关器件

说明书

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，具体涉及一种用于过电压保护的电阻开关器件。

技术背景

在电信和卫星通讯仪器、机载仪器和导弹控制设备方面，往往需要可靠性极高的保护器，以保证在浪涌电压(surge voltage)冲击或者其他任何电压过载的情况下，都不会有大电流进入关键器件。许多年前，复旦大学华中一教授已提出使用“金属-电双稳材料-金属”的夹层结构来制作电压灵敏的保护单元，即制作过电压保护器(over-voltage protector)。([1]华中一、陈殿勇、蒋益明、莫晓亮、彭建军、陈国荣、潘星龙、章壮健，超快速高可靠过电压保护器.仪器仪表学报，21(6)：854(2000))

但是，在研制夹层结构器件的过程中，即使采用相同的工艺来制作器件，各个器件之间的阈值电压也很难保持一致。因此，研制具有稳定阈值电压的薄膜器件就成为过电压保护器领域中非常重要的课题，也是能否取得实际应用的关键。

薄膜电子器件的性能不仅与器件的结构有关，还与薄膜器件中的介质层材料以及制作工艺有关。在电阻开关器件(resistive switching devices)的研究方面，我们前期已开发出二种高性能的薄膜器件，它们不仅可以用做一次写入多次读取的电存储器件，还可以作为过电压保护器使用。([2]徐伟，董元伟，一次写入多次读取的电存储器件及其制备方法，发明专利申请号200810038578.0；[3]徐伟，霍钟祺，庄哓梦，一种一次写入多次读取的电存储器件及其制备方法，发明专利申请号200810040423.0)

本发明在前期工作积累的基础上，提出一种新的器件结构以及制备方法。通过在器件结构中引入了致密的氧化铝层，并结合适当的电极材料和有机分子材料，从而使各个器件之间的阈值电压具有非常好的一致性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于过电压保护的电阻开关器件。该电阻开关器件具有非常稳定的阈值电压，器件之间的阈值电压分布具有非常好的一致性。

本发明提出的电阻开关器件，其结构依次为：基底、铝底电极(Al)、氧化铝层(Al₂O₃)、自组装有机分子层(Organic Layer)、以及金属顶电极(M)，即Al/Al₂O₃/organic layer/M结构，如图1(a)所示。其中的金属顶电极采用铜(Cu)或铝(Al)。铝底电极采用真空热蒸发方法沉积；氧化铝层由铝膜通过自然氧化形成；自组装有机分子层由有机分子在氧化铝表面通过固-液界面自组装形成；金属顶电极采用真空热蒸发方法沉积铜(或者铝)来制备。

在本发明中，用于制备自组装有机分子层的有机分子为：2，5-二巯基-1，3，4-噻二唑，英文名称为2，5-Dimercapto-1，3，4-thiadiazole，该分子材料的分子式为C₂H₂N₂S₃，简称N2S3，结构式如图1(b)所示。该有机分子能够在氧化铝表面上通过固-液界面自组装过程形成稳定的分子吸附层。

本发明还提出上述电阻开关器件的制备方法，其具体步骤如下：

(1)在清洁的平整基底上，通过真空热蒸发方法沉积厚度100～400纳米的铝膜作为底电极；

(2)将步骤(1)处理的材料置于洁净的大气环境中或者含有氧气的容器中放置数天以上，典型的放置时间为5～30天，以保证有充足的时间使铝表面形成致密的氧化铝薄膜；

(3)将步骤(2)处理的材料浸入到浓度为0.01～20克/升的N2S3乙醇溶液中，自然浸泡0.5～48小时，使氧化铝薄膜上形成自组装有机分子层；

(4)将步骤(3)处理的材料从乙醇溶液中取出，用大量乙醇洗涤，静置晾干或者用电吹风吹干；

(5)在自组装有机分子层上蒸镀100～400纳米厚的金属膜作为金属顶电极，即制得所述电阻开关器件。其中，金属顶电极材料采用铜(Cu)或铝(Al)；电极的形状由掩膜确定；底电极与顶电极交叉重合部分的面积定义为薄膜器件的面积。

在本发明中，关键步骤有二个：一是，在室温下长时间放置，使铝表面形成致密的氧化铝薄膜；二是，N2S3分子在氧化铝表面通过自组装方法形成吸附分子层。如果选择其他金属或者氧化物，N2S3分子在表面上自组装后性能会有明显的差别。由于长时间自发形成的氧化铝薄膜具有高质量的表面，在其表面上形成的N2S3分子吸附膜也具有很好的稳定性。高质量的氧化铝薄膜、高质量的自组装分子吸附膜以及这二者之间的界面是保证器件有稳定的阈值电压的关键。