專利名稱：基于鐵電金屬異質(zhì)結(jié)的憶阻器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子材料領(lǐng)域，具體涉及應(yīng)用于制備新型電子器件一‘〖乙阻器的鐵 電材料鈮酸鋰(LiNb03，簡(jiǎn)稱LN)以及一種基于鐵電金屬異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的憶阻器元件。
背景技術(shù)：
1971年，加州大學(xué)伯克利分校的Leon Chua教授從理論上預(yù)言，應(yīng)該存在除電 阻、電容、電感以外的第四種電路元器件，他稱之為憶阻器，并從理論上分析了其應(yīng)具有的 特征和功能。憶阻器的主要特征是它能隨著外加電量的變化來改變電阻態(tài)，由此實(shí)現(xiàn)記 憶功能。這種電子組件為實(shí)現(xiàn)更快速更節(jié)能的即開型PCGnstant-on PCs)機(jī)以及像人 類大腦處理信息的方式的模擬計(jì)算機(jī)(analog computers)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neuralnetworks)提供可能。憶阻器的理論模型提出37年后，才有惠普實(shí)驗(yàn)室的Strukov等人發(fā)現(xiàn)可以工作的 憶阻器原型器件。該原型器件單元由兩鉬金電極以及夾在兩電極之間的Ti02薄膜構(gòu)成。為 了實(shí)現(xiàn)對(duì)器件阻態(tài)的調(diào)節(jié)，在Ti02薄膜與鉬金接觸的一個(gè)界面中引入氧空位，使金屬與氧 化鈦上下界面勢(shì)壘不對(duì)稱，通過控制元器件的外加電場(chǎng)的方向以及強(qiáng)度來調(diào)節(jié)氧化鈦薄膜 中氧空位的遷移，從而調(diào)節(jié)界面遂穿勢(shì)壘的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)器件阻態(tài)隨著外加電場(chǎng)調(diào)節(jié)的目的。憶阻器因?yàn)槠涮厥獾碾妼W(xué)性能能帶來難以預(yù)測(cè)的廣闊應(yīng)用前景，尤其是采用憶阻 器電路，有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦神經(jīng)突觸工作模式的模擬，為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)提供可能。然 而除惠普實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)以外，鮮有報(bào)道其他材料和結(jié)構(gòu)的憶阻器行為。因此，迫切需要更廣 范圍的開發(fā)新型的憶阻器材料和設(shè)計(jì)新型的憶阻器器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新型憶阻器材料鈮酸鋰以及一種憶阻器原型器件結(jié) 構(gòu)及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種新型憶阻器材料鐵電鈮酸鋰，該薄膜具有自發(fā)極化和 180°疇界，在外電場(chǎng)作用下，自發(fā)極化方向幾乎不發(fā)生翻轉(zhuǎn)；采用脈沖激光沉積系統(tǒng)(如 圖1所示)制備所述高取向的LN鐵電薄膜，其制備的過程如下a)將單晶LN靶材4固定在脈沖激光沉積制膜系統(tǒng)的靶臺(tái)5上，襯底1固定在襯底 臺(tái)8上，均放置在脈沖激光沉積制膜系統(tǒng)的生長(zhǎng)室6中；b)用真空泵通過機(jī)械泵和分子泵的接口閥7將生長(zhǎng)室6中的真空抽到 0. 8X 10_4Pa以下，然后關(guān)掉分子泵，從針閥9中通入氧氣，保持生長(zhǎng)室內(nèi)流動(dòng)氧氣壓升到穩(wěn) 定在25 35Pa間，并將襯底溫度升到600 650°C間；c)啟動(dòng)KrF準(zhǔn)分子激光器2，使激光束通過聚焦透鏡3聚焦在單晶LN靶材4上；d)根據(jù)單脈沖能量，確定沉積時(shí)間，在襯底1上沉積厚度為50nm lOOnm厚的LN
薄膜；e)薄膜沉積結(jié)束后，原位500 650°C退火20 90min。
鐵電LN薄膜在制備憶阻器元件中的應(yīng)用使用LN鐵電薄膜制備憶阻器元件的方法及步驟如下憶阻器元件的基本構(gòu)型為三明治結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，即將結(jié)晶的LN薄膜12夾在 上下兩金屬電極10、11之間構(gòu)筑成一個(gè)微型三明治結(jié)構(gòu)，這就是一個(gè)憶阻器單元。LN薄膜 的有效工作區(qū)域的尺度可在30nm至200nm之間；該三明治結(jié)構(gòu)制備在硅片或二氧化硅薄層覆蓋的硅片，或其它襯底材料13上；上述的電極膜10、11為鉬(Pt)，或金(Au)；將上下電極10，11用金絲或銅絲制成的引線14，15引出，這樣即構(gòu)成是一個(gè)憶阻
器單元。鐵電金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的憶阻器的工作原理如圖2所示的憶阻器單元1)在外加較小的電壓作用時(shí)(電壓< 1.0力，由于110^(110\11)界面的捕獲/釋 放電子的作用，形成充放電效應(yīng)；2)隨著電壓的增大加大，器件呈現(xiàn)整流特征，如圖3所示，這是由于鐵電的自發(fā)極 化導(dǎo)致的上下界面的遂穿勢(shì)壘高度不一樣，上界面的正的極化電荷的積累使上界面的遂穿 勢(shì)壘降低；3)隨著掃描電壓的進(jìn)一步加大(電壓> 2. 5V)，器件出現(xiàn)可重復(fù)的穩(wěn)定的雙極性 阻變，如圖4所示，正向的掃描電壓使元件電阻從高阻態(tài)降低，負(fù)向掃描電壓使低阻態(tài)回復(fù) 到原來的高阻態(tài)；4)器件在正向電壓的作用下，阻態(tài)持續(xù)改變，這即是憶阻器隨著負(fù)載“記憶”電阻 態(tài)。憶阻器元器件在連續(xù)的正向電壓(0 — +2. 8 — 0V)掃描下，其電阻態(tài)的變化情況如圖 5所示。其中圖5(a)為，循環(huán)掃描電壓作用下的IV曲線?？梢钥闯雒恳粋€(gè)循環(huán)中，電流隨 著電壓指呈指數(shù)增加，為遂穿電流機(jī)制；每一次電壓增加或者下降過程的電流都分別大于 上一次循環(huán)中對(duì)應(yīng)的電流，也即是說每次循環(huán)開始的電阻態(tài)都低于上一次循環(huán)的電阻態(tài)； 而且當(dāng)電壓回到0時(shí)，電流也回到0值，說明該器件無能量積累。圖5(b)為分列開的周期 性加載的電壓、周期響應(yīng)的電流以及隨著電壓周期的改變的電阻隨著時(shí)間的變化。從圖中 可以看出，電阻態(tài)隨著外加三角電壓被周期性的調(diào)制。圖中紅線是對(duì)每次循環(huán)結(jié)束后電阻 態(tài)的非線性擬合，可以看出，電阻態(tài)隨著時(shí)間指數(shù)衰減。由鐵電金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的憶阻器的性能測(cè)試對(duì)憶阻器元件進(jìn)行性能測(cè)試的主要 儀器為Keithley 2400源測(cè)單元，主要測(cè)試原型器件對(duì)不同電壓信號(hào)的響應(yīng)。本發(fā)明有益效果是本發(fā)明首次提出的基于鐵電金屬異質(zhì)結(jié)的憶阻器原型器件， 而且使用該鐵電金屬異質(zhì)結(jié)憶阻器元件具有以下有益效果a)在正負(fù)循環(huán)電壓作用下，器件能在高低阻態(tài)間穩(wěn)定轉(zhuǎn)換，使該器件有可能應(yīng)用 于未來的高密度低能耗的非易失性阻變存儲(chǔ)器；b)在持續(xù)的正向電壓作用下，阻態(tài)周期性的變小，用于存貯中，即可實(shí)現(xiàn)不同于1 和0的兩種態(tài)，而是幾乎無限多的狀態(tài)，其組態(tài)都是非易失性的，這為實(shí)現(xiàn)新型模擬式計(jì)算 機(jī)等應(yīng)用提供可能。c)憶阻器存儲(chǔ)信號(hào)與外部所加載的信號(hào)歷史有關(guān)，利用憶阻電路進(jìn)行信號(hào)傳遞， 能實(shí)現(xiàn)類似于神經(jīng)系統(tǒng)信號(hào)傳遞突觸的功能，為實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供可能。四

圖1 制備LN薄膜的脈沖激光沉積薄膜生長(zhǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，1-襯底材料；2-KrF準(zhǔn)分子激光器；3_聚焦透鏡；4_LN單晶靶材；5_靶臺(tái)；6_生長(zhǎng) 室；7-機(jī)械泵和分子泵的接口閥；8-襯底臺(tái)；9-向生長(zhǎng)室內(nèi)通氣體的進(jìn)氣閥。圖2 基于鐵電金屬異質(zhì)結(jié)的憶阻器單元結(jié)構(gòu)示意圖，10-Pt上電極；11-Pt下電極；12-結(jié)晶的LN薄膜；13-硅襯底；14-上電極引線； 15-下電極引線。圖3 憶阻器單元的整流特性測(cè)試結(jié)果圖，其中橫軸表示器件所受電壓，縱軸表示 器件的響應(yīng)電流，電壓施加的過程是從0V，到+1. 6V，到0V，再到-1. 6V，最后回到0V，電壓信 號(hào)為臺(tái)階模式，臺(tái)階的時(shí)間寬度約為100ms。圖4 憶阻器單元的雙極性阻變測(cè)試結(jié)果圖，電壓施加的過程是從0V，到+2. 8V，到 0V，再到-2. 8V，最后回到0V。圖5 憶阻器單元的阻態(tài)連續(xù)變化測(cè)試結(jié)果圖，電壓施加的過程是從0V，到+2. 8V, 再到0V，如此重復(fù)五個(gè)個(gè)周期，其中圖(a)為重復(fù)五個(gè)周期的電流電壓特性，圖(b)為分列 開的周期性加載的電壓，周期響應(yīng)的電流以及隨著電壓周期的改變的電阻，以及對(duì)組態(tài)隨 時(shí)間指數(shù)衰減的非線性擬合結(jié)果。
五具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 鐵電相鈮酸鋰的制備方法，其制備步驟如下a)將單晶LN靶材4固定在脈沖激光沉積制膜系統(tǒng)的靶臺(tái)5上，將襯底1固定在襯 底臺(tái)8上，均放置在脈沖激光沉積制膜系統(tǒng)的生長(zhǎng)室6中；b)用真空泵通過機(jī)械泵和分子泵的接口閥7將生長(zhǎng)室6抽真空到0. 8X 10_4Pa以 下，關(guān)閉分子泵；c)調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥9，使生長(zhǎng)室內(nèi)的流動(dòng)氧氣壓為25 35Pa ；d)使用電阻加熱爐加熱襯底臺(tái)5，使襯底4的溫度升至600 650°C ；e)旋轉(zhuǎn)襯底臺(tái)5和靶臺(tái)8 ；f)啟動(dòng)KrF準(zhǔn)分子激光器2，波長(zhǎng)248nm，脈沖寬度30ns，頻率5Hz，單脈沖能量 400mJ,使激光束通過透鏡3聚焦在單晶LN靶材4上；g)沉積15 40min，在襯底4上沉積LN薄膜。h)薄膜沉積結(jié)束后，500 650°C退火20 90min。實(shí)施例2.基于鐵電金屬結(jié)的三明治結(jié)構(gòu)憶阻器單元的制備方法，具體制備步驟 如下a)在Pt/Ti/Si02/Si (111)襯底上，用PLD方法生長(zhǎng)厚度約為50nm lOOnm的LN 薄膜，并在沉積過程中用壓片夾壓住襯底一角，這樣漏出的部分Pt膜將作為下電極；b)從PLD生長(zhǎng)室中取出結(jié)晶的LN薄膜，蓋上掩膜板，用磁控濺射或者其他鍍膜方 法，生長(zhǎng)上Pt電極厚度在lOOnm 150nm，這樣就構(gòu)成一個(gè)微型的三明治結(jié)構(gòu)；如果Au/Ti/ Si02/Si(lll)襯底，生長(zhǎng)上電極Au得到基本相同的結(jié)果；c)最后分別由上下電極膜10、11接出銅引線14、15，這就構(gòu)成一個(gè)憶阻器單元。
權(quán)利要求
一種憶阻器材料鐵電鈮酸鋰，采用脈沖激光沉積系統(tǒng)制備將單晶LN靶材(4)固定在脈沖激光沉積制膜系統(tǒng)的靶臺(tái)(5)上，襯底(1)固定在襯底臺(tái)(8)上，均放置在脈沖激光沉積制膜系統(tǒng)的生長(zhǎng)室(6)中；生長(zhǎng)室(6)中的真空抽到0.8×10-4Pa以下，并通入氧氣，保持生長(zhǎng)室內(nèi)流動(dòng)氧氣壓升到穩(wěn)定在25～35Pa間，并將襯底溫度升到600～650℃間；啟動(dòng)KrF準(zhǔn)分子激光器(2)，使激光束通過聚焦透鏡(3)聚焦在單晶LN靶材(4)上；根據(jù)單脈沖能量，確定沉積時(shí)間，在襯底(1)上沉積厚度為30nm～200nm厚的LN薄膜；薄膜沉積結(jié)束后，原位500～650℃退火20～90min；該薄膜具有自發(fā)極化和180°疇界。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的憶阻器材料鐵電鈮酸鋰在制備憶阻器元件中的應(yīng)用其特征 是憶阻器元件的基本構(gòu)型為三明治結(jié)構(gòu)，憶阻器材料鐵電鈮酸鋰薄膜(12)夾在上下兩金 屬電極膜(10、11)之間構(gòu)筑成一個(gè)微型三明治結(jié)構(gòu)，這就是一個(gè)憶阻器單元，鐵電鈮酸鋰 薄膜在30nm至200nm之間；該三明治結(jié)構(gòu)制備在硅片或二氧化硅薄層覆蓋的硅片上，金屬 電極膜為鉬或金。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的憶阻器材料鐵電鈮酸鋰薄膜50nm lOOnm，上下電極厚度 IOOnm 150nmo
全文摘要
基于鐵電金屬異質(zhì)結(jié)的憶阻器，其中憶阻器材料鐵電鈮酸鋰，采用脈沖激光沉積系統(tǒng)制備將單晶LN靶材(4)固定在脈沖激光沉積制膜系統(tǒng)的靶臺(tái)(5)上，放置在脈沖激光沉積制膜系統(tǒng)的生長(zhǎng)室(6)中；生長(zhǎng)室中的真空抽到0.8×10-4Pa以下，并通入氧氣，氧氣壓25～35Pa間，將襯底溫度升到600～650℃間；啟動(dòng)KrF準(zhǔn)分子激光器，根據(jù)單脈沖能量，確定沉積時(shí)間，沉積厚度為30nm～200nm厚LN薄膜；原位500～650℃退火20～90min；該薄膜具有自發(fā)極化和180°疇界。將憶阻器鐵電鈮酸鋰薄膜夾在兩金屬電極膜之間構(gòu)成微型三明治結(jié)構(gòu)憶阻器單元。該器件可應(yīng)用于高密度低能耗非易失性阻變存儲(chǔ)器。
文檔編號(hào)C30B33/02GK101864592SQ20101017249
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者劉治國(guó), 國(guó)洪軒, 夏奕東, 徐波, 李海濤, 殷江 申請(qǐng)人:南京大學(xué)