一種ZnCuNO/ZnCoLiO多鐵性磁電耦合同質(zhì)PN結(jié)及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料合成技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種ZnCuNO/ZnCoL1多鐵性磁電耦合同質(zhì)PN結(jié)及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]多鐵性綜合了鐵磁性和鐵電性兩種基本物理性能，是近年來備受關(guān)注的信息功能材料。眾所周知，鐵電性通過鐵電晶體中原子位移形成的自發(fā)極化實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息的存儲(chǔ)；與此相對(duì)，鐵磁性通過鐵磁材料中電子自旋的有序排列實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)。多鐵性則是指兼有鐵電，鐵磁兩種特性，是設(shè)計(jì)新型高密度存儲(chǔ)器的物理基礎(chǔ)。與普通存儲(chǔ)材料相比，多鐵性材料具有以下特點(diǎn):(1)鐵電、鐵磁二性共存，電荷有序與自旋有序存在較強(qiáng)關(guān)聯(lián)耦合；(2)電子自旋排列受電極化矢量的影響，因此磁信息的寫讀不必依賴于外加磁場，可直接通過適當(dāng)?shù)墓腆w電子線路的電場來實(shí)現(xiàn)，從而提高數(shù)據(jù)存取的速率；(3)多鐵性材料具有電荷、自旋兩個(gè)自由度，通過外加電場和磁場對(duì)它們分別進(jìn)行控制，可用來設(shè)計(jì)研制三進(jìn)制或四進(jìn)制存儲(chǔ)器件，實(shí)現(xiàn)信息的高密度存儲(chǔ)。多鐵性材料的上述優(yōu)點(diǎn)使得其受到材料界、固體電子學(xué)界的高度重視。
[0003]多鐵性材料主要是一些錳酸鹽(如BiMnO3)和鐵酸鹽(如BiFeO3),然而，大部分多鐵性材料都呈鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，與半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)有很大的差異，不利于器件集成，因此基于半導(dǎo)體材料的磁性(如稀磁半導(dǎo)體)和鐵電性一直受到人們密切的關(guān)注。另一方面，在鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)中，常規(guī)的鐵電存儲(chǔ)材料如PbZrxTihCVSrBi2Ta2O9等在結(jié)構(gòu)上與單晶Si也有很大差異，因此沉積到單晶Si襯底時(shí)會(huì)因結(jié)構(gòu)失配而形成大量表面缺陷，導(dǎo)致存儲(chǔ)器出現(xiàn)信息缺失、極化倒向、疲勞等器件失效問題。解決這些問題需要采取稀土金屬摻雜或在鐵電材料與Si襯底之間預(yù)先沉積導(dǎo)電氧化物等措施，導(dǎo)致技術(shù)工藝復(fù)雜化，因此，開發(fā)與Si結(jié)構(gòu)匹配的存儲(chǔ)材料顯得十分必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述缺陷，提供一種匹配Si結(jié)構(gòu)的多鐵性磁電耦合同質(zhì)PN結(jié)。
[0005]本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供上述PN結(jié)的制備方法。
[0006]本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供上述PN結(jié)的應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的:
一種ZnCuNO/ZnCoL1多鐵性磁電耦合同質(zhì)PN結(jié)，包括沉積于n_Si (111)襯底基體上的ZnO緩沖層、沉積于ZnO緩沖層上的P型ZnCuNO鐵磁層、沉積于ZnCuNO鐵磁層上的η型ZnCoL1鐵電層、頂層電極層和底層電極層。
[0008]一般具有磁電耦合效應(yīng)的材料都呈鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，如PZT (PbZrxTi ^xO3)、SBT(SrBi2Ta2O9)等在結(jié)構(gòu)上與單晶Si也有很大差異，因此沉積到單晶Si襯底時(shí)會(huì)因結(jié)構(gòu)失配而形成大量表面缺陷，導(dǎo)致存儲(chǔ)器出現(xiàn)信息缺失、極化倒向、疲勞等器件失效問題等。解決這些問題需要采取稀土金屬摻雜(如鑭摻雜形成PLZT)或在鐵電材料與Si襯底之間預(yù)先沉積導(dǎo)電氧化物等措施，導(dǎo)致技術(shù)工藝復(fù)雜化，因此，開發(fā)與Si結(jié)構(gòu)匹配的存儲(chǔ)材料就顯得十分必要；而ZnO作為二元簡單氧化物，與Si具有良好的晶格匹配性，
優(yōu)選地，本發(fā)明所述頂層電極層為Au/Ni頂層電極層，底層電極層為Al/Ti底層電極層O
[0009]優(yōu)選地，所述ZnO緩沖層的厚度為100?400 nm，p型ZnCuNO鐵磁層的厚度為200?600 nm, η型ZnCoL1鐵電層的厚度為300?800 nm, Au/Ni頂層電極層的厚度為50?200 nm, Al/Ti底層電極層的厚度為80?150 nm。
[0010]優(yōu)選地，所述P型ZnCuNO鐵磁層的各原子百分比如下:32?46 at.% Zn、4.8?14.2 at.% Cu、4.2 ?8.9 at.% N、42 ?51.2 at.% 0。
[0011]優(yōu)選地，所述n型ZnCoL1鐵電層的各原子百分比如下:34?42.6 at.% Zn、
2.2 ?10.3 at.% Co、12 ?24 at.% L1、38 ?48 at.% O。
[0012]另外，申請(qǐng)人通過研宄發(fā)現(xiàn)，不同Co的η型ZnCoL1鐵電層的性能差異顯著，更優(yōu)選地，本發(fā)明所述η型ZnCoL1鐵電層含有2.5?8.8 at.% Co。
[0013]提供上述任意一種同質(zhì)PN結(jié)的制備方法，包括以下步驟:
51.對(duì)n-Si(111)襯底進(jìn)行輝光清洗后，打開ZnO直流磁控濺射靶，沉積ZnO緩沖層；
52.開啟直流磁控派射ZnO合金革E及Cu金屬革E，制備p型ZnCuNO鐵磁層；
53.同時(shí)打開直流磁控濺射ZnL1合金靶和Co金屬靶，沉積η型ZnCoL1鐵電層；
54.沉積Au/Ni頂層電極層和Al/Ti底層電極層。
[0014]優(yōu)選地，本發(fā)明所述鐵電層和鐵磁層的生長過程中，采用氧氣反饋控制裝置和朗繆爾探針控制，實(shí)現(xiàn)涂層快速生長和氧氣含量的精確控制。
[0015]更進(jìn)一步地，上述制備方法包括以下步驟:
(1)首先將n-Si(lll)襯底超聲清洗，隊(duì)吹干后置于腔體內(nèi)的基片架上，當(dāng)腔體內(nèi)的本底真空達(dá)到3X 10_4?8X 10 Pa后，通入Ar氣至氣壓達(dá)到0.3?2Pa，調(diào)節(jié)襯底溫度在200?400°C，襯底偏壓-800?-1200V，對(duì)n_Si (111)襯底進(jìn)行輝光清洗；
(2)輝光清洗結(jié)束后，通入并調(diào)節(jié)Ar和O2氣壓在0.3?0.9Pa，開啟氧氣反饋裝置控制O2流量在80?100 sccm，偏壓在-80?-200V，溫度200?300°C，基片架轉(zhuǎn)速2?4rpm，打開ZnO直流磁控濺射靶，沉積100?400 nm厚的ZnO緩沖層；
(3)通入Ar、隊(duì)和O2氣并調(diào)節(jié)氣壓在0.5?1.2Pa，Ar流量在50?80sccm，開啟氧氣反饋裝置控制O2流量在40?80sccm，質(zhì)量流量計(jì)控制N 2流量在10?30sccm，偏壓-100?-180V，襯底溫度300?500°C，基片架轉(zhuǎn)速3?5rpm，開啟直流磁控濺射ZnO合金靶及Cu金屬靶，ZnO合金靶功率在100?300W，Cu金屬靶功率在50?90W，制備厚度為200?600 nm的P型ZnCuNO鐵磁層；
(4)通入Ar和02混合氣體并控制氣壓在0.3?0.8Pa，質(zhì)量流量計(jì)控制Ar氣流量在50?lOOsccm，氧氣反饋裝置控制O2流量在60?80sccm，襯底溫度200?300 °C，偏壓-100?-160V，基片架轉(zhuǎn)速2?4rpm，同時(shí)打開直流磁控濺射ZnL1合金靶和Co金屬靶，分別控制功率在100?400W和30?120W，沉積厚度為300?800 nm的η型ZnCoL1鐵電層； (5)通入Ar氣，控制氣壓在0.4?1.2Pa，質(zhì)量流量計(jì)控制Ar流量在70?120sccm，溫度控制在100?150°C，控制磁控濺射靶功率在100?150W，生長厚度為50?200 nm的Au/Ni頂層電極層；
(6)通入Ar氣，控制氣壓在0.3?1.2Pa，質(zhì)量流量計(jì)控制Ar流量在80?llOsccm，溫度控制在100?130°C，控制磁控濺射靶功率在80?150W，生長厚度為80?150 nm的底層電極層。
[0016]提供上述任意一種同質(zhì)PN結(jié)在信息存儲(chǔ)中的應(yīng)用。
[0017]提供上述任意一種同質(zhì)PN結(jié)在制備高密度存儲(chǔ)材料中的應(yīng)用。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
本發(fā)明提供了一種ZnCuNO/ZnCoL1多鐵性磁電耦合同質(zhì)PN結(jié)，包括沉積于n_Si (111)襯底基體上的ZnO緩沖層、沉積于ZnO緩沖層上的P型ZnCuNO鐵磁層、沉積于ZnCuNO鐵磁層上的η型ZnCoL1鐵電層、頂層電極層和底層電極層；該磁電耦合同質(zhì)PN結(jié)與Si具有良好的晶格匹配性，且具有良好的鐵電性和鐵磁性以及磁電耦合特性，具有電荷、自旋兩個(gè)自由度，可以通過外加電場和磁場對(duì)它們分別進(jìn)行控制，用來設(shè)計(jì)研制三進(jìn)制或四進(jìn)制存儲(chǔ)器件，實(shí)現(xiàn)信息的高密度存儲(chǔ)，在新型高密度存儲(chǔ)器領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0019]圖1為實(shí)施例1制得的P型ZnCuNO鐵磁層在不同退火溫度下的磁滯回線(a)和零場加場曲線(b)。
[0020]圖2為實(shí)施例5制得的η型ZnCoL1鐵電層在不同Co摻雜量下的電滯回線。
[0021]圖3為實(shí)施例5制得的ZnCuNO/ZnCoL1多鐵性磁電耦合同質(zhì)PN結(jié)的η型ZnCoL1鐵電層(38.2 at.% Zn ；3.2 at.% Co ；14.7 at.% Li ；43.9 at.% 0)的 1-V 特性曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，但不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。在不背離本發(fā)明精神和實(shí)質(zhì)的情況下，對(duì)本發(fā)明方法、步驟或條件所作的簡單修改或替