[發明專利]鐵電隧道結器件

有效

• 申請號: 201310254038.7
• 申請日: 2013-06-24
• 公開（公告）號: CN103325942A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 楊鋒;胡廣達;武衛兵;楊長紅;吳海濤
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 丁修亭

技術領域

本發明涉及一種隧道結器件。

背景技術

鐵電隧道結（FTJ）是一種以鐵電超薄膜為勢壘層在其兩面夾以電極的異質結構。于2005年Kohlstedt?H（Theoretical?current-voltage?characteristics?of?ferroelectric?tunnel?junctions[J],Phys?Rev?B,2005,72:125341）等正式提出了FTJ的概念。

FTJ概念的提出了對鐵電薄膜的應用和理論研究提出了新的課題和挑戰。其具有兩個最明顯的新特性：兩字隧穿效應和電阻反轉效應。當前薄膜制備技術的發展可使鐵電薄膜的厚度僅幾個納米，特別是原子尺度控制薄膜生長的技術，甚至可以使鐵電薄膜僅具有幾個晶胞的厚度。

通常，隧道結由兩個金屬電極和夾在里面的納米厚絕緣層組成。超導約瑟夫森結和磁性隧道結都是隧道結的典型應用，已經引起了人們的廣泛關注。

最近，隨著鈣鈦礦型氧化物薄膜生長技術的進步，在幾個晶格單元厚度的薄膜中仍然可以維持其鐵電性，這使得采用超薄鐵電陶瓷勢壘來實現鐵電隧道結（FTJs）成為可能。

不同于傳統的隧道結，FTJ可以通過極化反轉使得電子的勢壘在高值和低值之間切換，實現隧道電阻的電開關，即隧道電阻（TER）。Zhuravlev等人建立起鐵電性調制勢壘寬度的FTJ開關機制。然而，在傳統的金屬/鐵電/金屬FTJs中這種調制會受到金屬中短屏蔽長度所限制。

發明人發現如果使用半導體材料替代金屬電極可以解決這個問題，當超薄鐵電勢壘極化反轉時，由于鐵電場效應作用半導體表面可以在多數載流子的積累和耗盡狀態之間切換。因此，隨著鐵電勢壘中勢壘高度開關對極化反轉響應，存在對勢壘寬度的一個額外的調諧。如果半導體表面耗盡，隧穿電子必須經歷在空間電荷區的一個額外的勢壘。進而可以調節隧道結隧道電流的大小。

發明內容

為此，本發明的目的在于提供一種鐵電隧道結器件，使用半導體材料電極代替傳統的金屬電極，克服現有FTJ器件由于金屬電極中屏蔽長度短的限制，實現大的開關比和長久的保持性。

本發明采用以下技術方案：

一種鐵電隧道結器件，包括依次堆疊的一層N型半導體薄膜、一層鐵電薄膜和一層P型半導體薄膜；其中N型半導體薄膜上連接有第一電極，而在P型半導體薄膜上連接有第二電極，并且第一電極和第二電極為同樣的半導體材料基于不同的摻雜而形成，其中第一電極為P型半導體電極，第二電極為N型半導體電極。

從上述方案可以看出，依據本發明，使用半導體電極取代傳統的金屬電極，經驗證，基于此方案，能夠有效地克服傳統金屬電極器件由于金屬電極屏蔽長度短的限制，能夠實現大的開關比和長久的保持性。進一步地，兩電極材料采用相同的半導體材料，從而，使得該結構中各層薄膜之間不會產生大的晶格失配，易于得到清晰的晶格界面。不同的摻雜在于電極與不同半導體薄膜的匹配連接。

上述鐵電隧道結器件，所述鐵電薄膜的厚度為1nm~3nm。

上述鐵電隧道結器件，所述第二電極為一層體，疊裝在所述P型半導體薄膜上；而所述第一電極為薄膜貼片，貼裝在所述N型半導體上。

上述鐵電隧道結器件，?N型半導體薄膜、鐵電薄膜和P型半導體薄膜有原子級得分界面，界面處的兩種材料的原子間無相互擴散。

上述鐵電隧道結器件，鐵電薄膜與相鄰的P型半導體薄膜及N型半導體薄膜的晶格常數相近，晶格常數差值比在±1%范圍以內。

上述鐵電隧道結器件，鐵電薄膜與相鄰的P型半導體薄膜及N型半導體薄膜的接觸面的外延對應為沉積薄膜沿用襯底材料的晶格常數。?

附圖說明

圖1為N-type半導體/鐵電/P-type半導體FTJ隧道結結構示意圖。

01-Pt?上電極；02-N-type半導體；03-鐵電極薄薄膜；04-?P-type半導體；05-下電極；06-下電極引線；06-上電極引線

圖2為N-type半導體/鐵電/P-type半導體FTJ隧道結電阻-電壓關系示意圖。其中橫軸表示器件所受的電壓（標準化處理），縱軸表示器件的響應電阻，電壓施加的過程為從負的最大電壓，到0V，再到正的最大電壓，到0V，最后回到負的最大電壓。

圖3為實施例一實驗條件下制備的薄膜的剩余極化的厚度依賴曲線。

具體實施方式

下面根據附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明：