具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。另外，本发明中使用的“介于……之间”包括两个端点值。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种选通管材料，所述选通管材料包括Te、Se及S中的至少一种。所述选通管材料由Te(碲)、Se(硒)、S(硫)中至少一种元素构成，即，所述选通管材料可以是Te、Se和S单质，也可以是其中任意两种元素的混合，或者是三种元素的混合。该材料用于选通管单元时具有开通电流大、漏电流小、热稳定性好、材料简单、无毒性及开关速度快等优点。

在一示例中，所述选通管材料的化学通式为Te_aSe_bS_c，其中，0≤a≤1、0≤b≤1、0≤c≤1，a+b+c＝1，a、b、c为元素的原子百分比。在一优选示例中，如纯Te，具有材料简单、开通电流大、器件寿命长、性能一直性好以及能在室温到400℃高温环境下正常工作等优点。在一优选示例中，在Te中加入Se，会进一步提高禁带宽度，降低器件漏导，提高器件的开关比。同时，由于Se的熔点只有250℃左右，熔化所需的能量降低，因而降低了操作的功耗。例如，具体设计可以为Te80Se20、Te50Se50、Te20Se80。

作为示例，所述选通管材料的化学通式为(Te_xSe_yS_z)_1-tM_t，其中，M包括掺杂材料，且0≤x≤100、0≤y≤100、0≤z≤100、0<t≤0.5，t为选通管材料中所述掺杂材料的原子百分比，例如，t可以为0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.4等。

在一示例中，所述掺杂材料包括O、N、Ga、In、As中的至少一种，即所述掺杂材料可以是O、N、Ga、In、As中的任意一种，也可以是上述元素中至少两者的组合，掺杂的含量不超过50at.％，例如，可以为20at.％、30at.％、40at.％等。掺入后，会改善材料的器件性能，包括提高热稳定性、提高开态电流、降低漏电流、增大开关比、延长器件寿命等。示例中，在所述选通管材料中掺杂上述元素，可以调节和优化该选通材料制作的选通管单元的阈值电压、开通电流及疲劳特性等性能，使得选通材料开通电流增大、选通比增加、循环性能更好。

作为示例，所述掺杂材料包括氧化物、氮化物及碳化物中的至少一种。所述掺杂材料可以是氧化物、氮化物及碳化物中的任意一种，也可以是上述任意两者或三者的组合。掺入后，具有提高热稳定性、提高开态电流、降低漏电流、增大开关比、延长器件寿命等功效。

作为示例，所述氧化物包括SiOx,TiOx,TaOx,HfOx,TiOx,GeOx,SnOx,AlOx,GaOx中的至少一种。

作为示例，所述氮化物包括SiNx,GeNx,AlNx,SnNx中的至少一种。

作为示例，所述碳化物包括SiCx,GeCx,AlCx中的至少一种。

其中，和/或表示三种掺杂材料可以同时进行上述选择，也可以是任意一者进行上述选择，也可以是任意两者进行上述选择。例如，本发明的设计可以为Te80(SiO2)20、Te50(SiO2)50、Se80(SiN)20、Se50(SiN)50、S80(SiC)20、S50(SiC)50。

作为示例，本发明得到的所述选通管材料在电压施加到预设值(阈值电压)时可实现高阻态(关态)到低阻态(开态)的瞬时转变，在撤去电信号时瞬时自发返回高阻态(关态)。

进一步示例中，所述选通管材料从高阻态到低阻态的瞬时转变时间介于100ps-1μs之间，从低阻态到高阻态瞬时转变的时间介于500ps-5μs之间。本发明构成元素不同的化学通式下的选通管材料的瞬时转变时间不同，本发明从高阻态到低阻态的瞬时转变时间可以是100ps、1ns、10ns、1μs，从低阻态到高阻态瞬时转变的时间可以是500ps、5ns、50ns、50μs。

作为示例，本发明的材料设计，当所述选通管材料处于高阻态时，所述选通管材料包括非晶态或晶态。处于非晶态的高阻态，利用电子传输机制，开关速度快。处于晶态的高阻态，可以避免高温后道工艺造成材料结晶，从而使得器件失效。当所述选通管材料处于低阻态时，所述选通管材料包括非晶态、晶态或熔融态。材料的不同状态可通过材料生长温度和厚度来控制和调节。

作为示例，所述选通管材料具有非线性电导特性，可以用作神经元器件或者神经突触器件，实现将外界模拟信号转换成脉冲信号等功能，用于神经网络。

作为示例，所述选通管材料具有双向阈值开关型选通特性。可以用作双向阈值开关(OTS)，OTS选通器的基本原理是：利用电学信号来控制选通器件的开关，当施加电学信号高于阈值电压时，材料从高阻态向低阻态转变，此时器件处于开启状态；当撤去电学信号时，材料又从低阻态转变成高阻态，器件处于关闭状态。本发明基于上述材料设计可以得到OTS。其中，OTS材料具有双向选通特性，能满足相变存储器所需MA/cm²的开态电流密度，是实现存储器高密度三维集成的关键。但现有OTS材料成分复杂，这些复杂的OTS材料中都含有As等有毒物质，不利于可持续发展需求。其它类型的选通器则暂时还不能满足驱动相变存储器所需MA/cm²的电流密度。同时，这些选通器的开关速度在微秒及以上，也限制了其在新型相变存储器件上的应用。而本发明的选通管材料可以解决OTS的上述问题，具有开通电流大、漏电流小、热稳定性好、材料简单、无毒性及开关速度快等优点。

作为示例，所述选通管材料的开/关电流比(即选通比)可以包括1-8个数量级，例如，可以是2个数量级、3个数量级、6个数量级。

另外，如图1所示，本发明还提供一种选通管单元，所述选通管单元包括：选通管材料层10、第一电极11及第二电极12。其中：

所述选通管材料层10包括如上述任意一种方案所述的选通管材料，即所述选通管材料层10为如上述任意一种方案所述的选通材料制备而成的材料层；所述选通材料层10的组分具体请参阅上述选通管材料的具体描述，此处不再累述。

所述第一电极11位于所述选通管材料层10的上表面；所述第二电极12位于所述选通管材料层10的下表面。另外，还可以是所述第一电极11和所述第二电极12均位于所述选通管材料层10的上表面或均位于所述选通管材料层10的下表面，构成横向结构。

作为示例，所述第二电极的形状包括T型、μ型、部分或者全限定型。

作为示例，所述选通管材料层10可以通过但不仅限于磁控溅射工艺而形成。对于Te、Se和S等单质材料，利用单靶溅射；对于至少两种元素的混合物，可利用合金靶或者单质靶共溅射；掺杂可合金靶或者与化合物靶共溅射实现。

作为示例，所述选通管材料层10的厚度可以根据实际需要进行设定，优选地，所述选通管材料层10的厚度可以为2nm-100nm，更为优选地，本实施例中，所述选通管材料层10的厚度为5nm～20nm，例如，选择为10nm、15nm。

作为示例，可以采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子气相沉积法(AVD)或原子层沉积法(ALD)中的任意一种方法于所述选通管材料层10的上表面形成所述第一电极11。

作为示例，可以采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子气相沉积法(AVD)或原子层沉积法(ALD)中的任意一种方法于所述选通管材料层10的下表面形成所述第二电极12。

作为示例，所述第一电极11的材料可以包括但不仅限于Ti(钛)、TiN(氮化钛)、Ag(银)、Au(金)、Cu(铜)、Al(铝)及W(钨)中的至少一种。所述第二电极12的材料可以包括但不仅限于Ti、TiN、Ag、Au、Cu、Al及W中的至少一种。

作为示例，所述第一电极11与所述选通管材料层10之间还可以设有过渡层(未示出)，即此时，所述过渡层位于所述选通管材料层10的上表面，所述第一电极11位于所述过渡层的上表面；所述过渡层的材料可以包括但不仅限于TiN(氮化钛)，所述过渡层用于增加所述第一电极11与所述选通管材料层10之间的黏附力。所述过渡层的厚度可以根据实际需要进行设定，譬如，所述过渡层的厚度可以为但不仅限于2nm、8nm、10nm。当然，所述第一电极11与所述选通管材料层10之间未设有所述过渡层时，所述第一电极11可以直接形成于所述选通管材料层10的上表面。

作为示例，所述第二电极12与所述选通管材料层10之间也可以设有过渡层(未示出)，即此时，所述过渡层位于所述选通管材料层10的下表面，所述第二电极12位于所述过渡层的下表面；所述过渡层的材料可以包括但不仅限于TiN(氮化钛)，所述过渡层用于增加所述第二电极12与所述选通管材料层10之间的黏附力。所述过渡层的厚度可以根据实际需要进行设定，譬如，所述过渡层的厚度可以为但不仅限于2nm、8nm、10nm。当然，第二电极12与所述选通管材料层10之间未设有所述过渡层时，所述第二电极12可以直接形成于所述选通管材料层10的下表面。

作为示例，所述选通管单元的开通电流I_on≥10^-4A，所述选通管单元的漏电流I_off≤10^-5A，所述选通管单元的循环次数大于等于10³次；优选地，本实施例中，所述选通管单元的开通电流I_on≥10^-3A，所述选通管单元的漏电流I_off≤10^-10A，所述选通管单元的循环次数可以大于等于10⁷次。

作为示例，所述选通管材料的开/关电流比介于1-8个数量级之间，例如，可以是2个数量级、3个数量级、6个数量级，另外，所述选通管单元的可以选通比可以大于等于6。

另外，如图2-3所示，本发明还提供一种存储器件结构，所述存储器件结构包括：如上述示例中任意一项方案所述的选通管单元、存储材料层13及第三电极14；其中，所述选通管单元的具体结构请参阅上述方案中的描述，此处不再累述；所述存储材料层13位于所述第二电极12的下表面；所述第三电极14位于所述存储材料层14的下表面。此时，所述第一电极11作为上电极，所述第二电极12作为中间电极，所述第三电极14作为下电极。

作为示例，所述第二电极12的厚度可以根据实际需要进行设定，优选地，本实施例中，所述第二电极12的厚度可以包括5nm-100nm，例如，可以是10nm、15nm、25nm。

作为示例，所述存储材料层13包括相变存储材料层、阻变存储材料层、磁存储材料层以及铁电存储材料层中的任意一种。

作为示例，所述存储器件结构可以包括若干个平行间隔排布的第一电极11及若干个平行间隔排布的第三电极14，其中，所述第一电极11沿第一方向延伸，所述第三电极14沿第二方向延伸，所述第一方向与所述第二方向具有夹角，所述夹角小于0°且大于等于90°，例如，可以是45°、60°等；所述选通管材料层10、所述第二电极12及所述存储材料层13共同构成选通存储单元，所述存储器件结构包括若干个所述选通存储单元，所述选通存储单元位于所述第一电极11与所述第三电极14之间，且位于所述第一电极11与所述第三电极14的交叠区域内。需要说明的是，所述选通存储单元位于所述第一电极11与所述第三电极14的交叠区域内是指所述选通存储单元在所述第三电极14所在平面的正投影位于所述第一电极11在所述第三电极14所在平面的正投影内，且所述选通存储单元在所述第一电极11所在平面的正投影位于所述第三电极14在所述第一电极11所在平面的正投影内。

作为示例，所述选通管材料可与相变存储器、铁电存储器、磁存储器和阻变存储器等新型存储器三维集成，可用于交叉或者垂直存储阵列，阵列的密度为4F²(F为半导体工艺特征尺寸)。

在另一示例中，所述选通管材料层、所述第二电极及所述存储材料层均至少包括N层，在垂直方向上堆叠形成N层结构，得到的所述存储器结构的存储密度为4F²/N，以实现海量存储，其中，F为半导体工艺特征尺寸，N为大于等于2的整数。

现有的数据存储技术已经达到亚纳米的尺寸极限，想要实现更海量的单位存储容量必须采用交叉型的堆叠阵列，突破维度存储的容量限制。但是这种阵列结构在读写过程中存在漏电串扰，因而必须在存储单元上增加一个选通管器，例如，基于本发明的选通管材料制备的器件。这些选通管器具有非线性电导特性，在施加电压达到阈值时会产生一个大的开态电流(I_ON)，用于对存储单元进行操作；而在1/2阈值电压时，选通管会处于关闭状态，限制相应的存储单元中小于读写电流一个数量级以上的漏电流(I_OFF)通过。

为了进一步说明本发明的有益效果，还提供如下实施例。

实施例1：

本实施例1中，所述选通管单元中所述选通管材料层10为通过磁控溅射工艺(直接使用Te靶材进行溅射)得到的厚度为20nm的Te层(即此时所述选通管材料层为Te单质)，所述第二电极12为直径为200nm的电极(即，器件为直径200nm的柱状电极)，所述第一电极11为TiN电极。该示例中，所述的选通管单元通过探针台重复测试多次后得到的电压-电流曲线如图4所示(其中，图4中以重复测试二十次共得到二十条电压-电流曲线为例)，由图4可知，当所述选通管单元上施加电压小于3V时，所述选通管单元处于关闭状态，通过所述选通管单元的电流很小，小于10^-7A；当所述选通管单元上施加电压超过阈值电压(3V～3.7V)时，所述选通管单元被瞬间打开，通过所述选通管单元的电流急剧增加到10^-3A；当所述选通管单元上施加的电压撤去时，所述选通管单元又瞬间被关闭，通过所述选通管单元的电流急剧减小，变为高阻态。由图4可知，所述选通管单元重复测试多次，每次得到的电压-电流曲线具有一致的性能，从而说明所述选通管单元的重复性非常好。

另外，在该示例中，所述的选通单元通过探针台测试脉冲响应后得到曲线如图5所示。由图5可知，当所述选通管单元上施加电压小于3V时，所述选通管单元处于关闭状态，通过所述选通管单元的电流很小；当所述选通管单元上施加电压再增加，超过阈值电压时，所述选通管单元被瞬间打开，通过所述选通管单元的电流急剧增加，打开选通管所需的时间约为40ns；当所述选通管单元上施加的电压降低到1.5V时，所述选通管单元又瞬间被关闭，通过所述选通管单元的电流急剧减小，变为高阻态，关闭选通管的所需的时间约为100ns，说明所述选通管单元的开关速度非常快。

实施例2：

在本实施例2中，所述选通管单元中所述选通管材料层10为通过磁控溅射工艺(直接使用Te靶材进行溅射)得到的厚度为20nm的Te层(即此时所述选通管材料层10为Te单质)，所述第二电极12为直径为150nm的电极(即，器件为直径150nm的柱状电极)，下电极尺寸的不一样，电流大小是一样的，尺寸小，电流密度越大。所述第一电极11为TiN电极。该示例中所述的选通管单元通过探针台重复测试多次后得到的电压-电流曲线如图6所示(其中，图6中以重复测试四次共得到四条电压-电流曲线为例)，由图6可知，当所述选通管单元上施加电压小于2V时，所述选通管单元处于关闭状态，通过所述选通管单元的电流很小，小于10^-7A；当所述选通管单元上施加电压超过阈值电压(2V～2.8V)时，所述选通管单元被瞬间打开，通过所述选通管单元的电流急剧增加到10^-3A；当所述选通管单元上施加的电压撤去时，所述选通管单元又瞬间被关闭，通过所述选通管单元的电流急剧减小，变为高阻态。由于器件尺寸减小，而开态电流几乎不变，因而电流密度随着器件尺寸的缩小会急剧增大，因而器件微缩后，该选通材料具有更大的优势。由图6可知，所述选通管单元重复测试多次，每次得到的电压-电流曲线具有一致的性能，从而说明所述选通管单元的重复性非常好。

综上所述，本发明的选通管材料、选通管单元及制备方法、存储器结构，选通管材料选用Te、Se和S单质或者其中任意元素构成的化合物，可通过掺入O、N、Ga、In、As等元素、氧化物、氮化物以及碳化物等介质材料提高性能，可以调节和优化该选通材料制作的选通管单元的阈值电压、开通电流及疲劳特性等性能，可以提高该选通材料制作的选通管单元的热稳定性、降低该选通材料制作的选通管单元的漏电流、增强该选通管材料制作的选通管单元的可重复性，用于选通管单元时具有开通电流大、材料简单、开关速度快、重复性好以及低毒性等优点，有助于实现高密度的三维信息存储。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。