[發明專利]基于鐵電金屬異質結的憶阻器及其制備方法

無效

• 申請號: 201010172495.8
• 申請日: 2010-05-14
• 公開（公告）號: CN101864592A
• 公開（公告）日: 2010-10-20
• 發明（設計）人: 李海濤;夏奕東;徐波;國洪軒;殷江;劉治國
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: C30B23/02
• 分類號: C30B23/02;C30B29/30;C30B33/02;H01L45/00
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 陳建和

一、技術領域

本發明屬于微電子材料領域，具體涉及應用于制備新型電子器件——憶阻器的鐵電材料鈮酸鋰(LiNbO₃，簡稱LN)以及一種基于鐵電金屬異質結結構的憶阻器元件。

二、背景技術

1971年，加州大學伯克利分校的Leon?Chua教授從理論上預言，應該存在除電阻、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，由此實現記憶功能。這種電子組件為實現更快速更節能的即開型PC(instant-on?PCs)機以及像人類大腦處理信息的方式的模擬計算機(analog?computers)和人工神經網絡(artificial?neuralnetworks)提供可能。

憶阻器的理論模型提出37年后，才有惠普實驗室的Strukov等人發現可以工作的憶阻器原型器件。該原型器件單元由兩鉑金電極以及夾在兩電極之間的TiO₂薄膜構成。為了實現對器件阻態的調節，在TiO₂薄膜與鉑金接觸的一個界面中引入氧空位，使金屬與氧化鈦上下界面勢壘不對稱，通過控制元器件的外加電場的方向以及強度來調節氧化鈦薄膜中氧空位的遷移，從而調節界面遂穿勢壘的參數，實現器件阻態隨著外加電場調節的目的。

憶阻器因為其特殊的電學性能能帶來難以預測的廣闊應用前景，尤其是采用憶阻器電路，有可能實現對大腦神經突觸工作模式的模擬，為人工神經網絡的實現提供可能。然而除惠普實驗室的發現以外，鮮有報道其他材料和結構的憶阻器行為。因此，迫切需要更廣范圍的開發新型的憶阻器材料和設計新型的憶阻器器件。

三、發明內容

本發明的目的在于：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構及其制備方法。

本發明的技術方案是：一種新型憶阻器材料鐵電鈮酸鋰，該薄膜具有自發極化和180°疇界，在外電場作用下，自發極化方向幾乎不發生翻轉；采用脈沖激光沉積系統(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的靶臺5上，襯底1固定在襯底臺8上，均放置在脈沖激光沉積制膜系統的生長室6中；

b)用真空泵通過機械泵和分子泵的接口閥7將生長室6中的真空抽到0.8×10^-4Pa以下，然后關掉分子泵，從針閥9中通入氧氣，保持生長室內流動氧氣壓升到穩定在25～35Pa間，并將襯底溫度升到600～650℃間；

c)啟動KrF準分子激光器2，使激光束通過聚焦透鏡3聚焦在單晶LN靶材4上；

d)根據單脈沖能量，確定沉積時間，在襯底1上沉積厚度為50nm～100nm厚的LN薄膜；

e)薄膜沉積結束后，原位500～650℃退火20～90min。

鐵電LN薄膜在制備憶阻器元件中的應用：

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型為三明治結構(如圖2所示)，即將結晶的LN薄膜12夾在上下兩金屬電極10、11之間構筑成一個微型三明治結構，這就是一個憶阻器單元。LN薄膜的有效工作區域的尺度可在30nm至200nm之間；

該三明治結構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為鉑(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，這樣即構成是一個憶阻器單元。

鐵電金屬異質結構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(電壓＜1.0V)，由于LN/Pt(LN/Au)界面的捕獲/釋放電子的作用，形成充放電效應；

2)隨著電壓的增大加大，器件呈現整流特征，如圖3所示，這是由于鐵電的自發極化導致的上下界面的遂穿勢壘高度不一樣，上界面的正的極化電荷的積累使上界面的遂穿勢壘降低；

3)隨著掃描電壓的進一步加大(電壓＞2.5V)，器件出現可重復的穩定的雙極性阻變，如圖4所示，正向的掃描電壓使元件電阻從高阻態降低，負向掃描電壓使低阻態回復到原來的高阻態；