[发明专利]一种二维Ti3C2-MXene薄膜材料及其制备方法和在阻变存储器中的应用

说明书

本发明涉及一种二维Ti₃C₂‑MXene薄膜材料及其制备方法和在阻变存储器中的应用，属于膜制备以及微电子功能器件技术领域。本发明采用低温一步溶液法在导电基底表面制备MXene薄膜，成膜简单，且更容易大面积制备薄膜。本发明首次采用新型二维材料MXene来替代传统的阻变材料应用于存储器领域。本发明的阻变存储器从下至上依次包括硬质衬底、底电极、阻变层、顶电极，其中：所述阻变层材料为二维Ti₃C₂‑MXene薄膜材料，所述阻变层的厚度100～450nm，制得的器件在断电时能保持原来的阻态，为非易失性存储器，且该器件连续多次循环后仍能保持稳定，具备循坏耐受性。

技术领域

本发明属于膜制备以及微电子功能器件技术领域，具体涉及一种二维Ti₃C₂-MXene薄膜材料及其制备方法和在阻变存储器中的应用。

背景技术

随着大数据时代的到来，人们对于数据存储的要求越来越高。基于电荷存储原理的存储器，例如闪存即将面临尺寸缩减的物理极限和技术极限，难以满足人们的需求，因此开发新的性能优异的非挥发性存储器成为半导体行业的研究热点。

阻变存储器利用薄膜材料在外加电场的作用下表现出不同的电阻状态来实现数据存储。阻变存储器通过材料电阻的可逆转变实现存储，与传统闪存相比具有明显优势，包括器件结构简单、单元尺寸小、可微缩性好、操作速度快、功耗低、与互补金属氧化物(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺兼容、易于三维集成等，成为重要的下一代存储技术，并被认为是最适合三维集成的新型存储器之一，在不同的应用领域展现了可大规模市场化的前景。

阻变存储器结构简单，核心的阻变层只由一种材料组成，阻变介质材料是阻变存储器发生电阻转换的载体，对阻变存储器的性能有着最直接的影响。阻变介质材料层的材料种类非常多，大概可以分为几类：二元氧化物、三元和多元氧化物、硫族固态电解质、氮化物以及其他无机材料。二元氧化物具有结构简单、材料组分容易控制、制备工艺与半导体工艺兼容等优点，但普遍需要一个较大的初始电压使阻变层中形成导电通道，增加了功耗和外围电路的复杂程度。三元和多元氧化物材料制备工艺比较复杂，成分比例难以控制并难以与当前CMOS工艺兼容，所以基于多元金属氧化物的阻变存储器的研究主要在实验室开展，这类材料在工业领域的应用前景并不明朗。硫族固态电解质材料作为Ag⁺和Cu²⁺离子的优异快离子导体材料，在研究PMC器件的电阻转变机理方面非常有优势，仍然是实验室中研究电阻转变行为常用的介质材料。其他无机材料比较常见的有氮化物、非晶碳和非晶硅等，同样具有工艺较为复杂，制备成本较高等问题。为了实现工业化的应用要求，除了具有良好的阻变性能外，各种材料制备技术的经济成本也是必须考虑的因素。因此寻求新的具有结构简单、材料组分容易控制、制备工艺简单、成本低廉且具有良好阻变特点的阻变层材料意义重大。

目前，用作阻变层的材料从尺度大小可以分为，零维纳米材料如NiO纳米粒子，一维纳米材料ZnO纳米线，二维的薄膜材料等。原子尺度层厚赋予二维材料高比表面积、独特的电子结构及物理化学性质，与主流的微电子加工工艺相兼容，有利于实现阻变存储器的工业化应用，并且无毒、制备工艺简单、成本低等特点，引起了人们的广泛关注。其中，MXene作为一种新型的二维材料，容易制备，电子结构独特，极具研究潜力，成为了本发明的研究重点。

器件的阻变特性与材料本身性能密切相关，材料的性能又在很大程度上取决于制备方法。在众多的阻变介质材料中，二元氧化物的研究较多，性能较为优异。二元氧化物通常使用磁控溅射、溶胶-凝胶法以及等离子体氧化等方法制备。磁控溅射的缺点是难以制备化学计量比可控的多组元化合物薄膜；溶胶-凝胶法存在的缺点是薄膜与衬底的附着性能较差，薄膜的致密性也不高。等离子体氧化技术的缺点是对于实验环境的要求极高，实验制备成本高。因此基于制备工艺简单、效率高、薄膜与衬底结合性好、易于在较低环境下大面积制备薄膜等优点，以及减少制备成本的前提下，提出了本发明。

发明内容