[發明專利]一種異質結、鐵電隧道結及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201310258989.1
• 申請日: 2013-06-26
• 公開（公告）號: CN103346255A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 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: 李桂存

技術領域

本發明涉及一種異質結及其制備方法、鐵電隧道結及其制備方法，以及鐵電隧道結在憶阻器或阻性開關器件中的應用，屬于微電子材料技術領域。

背景技術

異質結是兩種不同的半導體相接觸所形成的界面區域。異質結可以利用界面合金、外延生長、真空淀積等技術制造，異質結常具有優良的光電特性，使它適宜于制作超高速開關器件、太陽能電池以及半導體激光器等。隧道結由兩個金屬電極和夾在里面的納米厚絕緣層（即勢壘層）組成。量子力學告訴我們，一個電子的波函數可以以一定的概率穿透勢壘。該透射率指數地取決于勢壘的高度和寬度。超導約瑟夫森結和磁性隧道結都是量子隧道效應的典型應用，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（FTJ）成為可能。

FTJ的概念可以追溯到20世紀70年代早期，?Esakie等人報道了鈮酸鉍勢壘FTJ。然而，FTJ的控制機制僅僅在最近才得以制定。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，這可實現隧道電阻的電開關，即所謂的隧道電阻（TER）。可靠的巨TER已有報道在BaTiO₃和Pb(Zr,Ti)O₃?FTJ中獲得。眾多的研究成果表明，在非易失性純電子電阻式存儲器領域，FTJ是很有前途的新一代產品。此外，四隧道電阻態之間的非易失性開關已在多鐵隧道結中實現。最近，Chanthbouala等人又在FTJ中實現了鐵電憶阻行為。

另外，隧道透光率不僅依賴勢壘高度，也指數地依賴于勢壘寬度。如果勢壘寬度和勢壘高度同時可調，TER將大大增強。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FTJ中，這種調制會受到金屬中短屏蔽長度所限制，這一問題的存在也影響了FTJ的推廣應用。

如果使用半導體材料替代下電極金屬可以解決這個問題，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。這是因為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。理論計算發現，對于適度的極化值，TER值可至少比金屬/鐵電/金屬FTJ大一到兩個數量級。但據了解，目前有人做了外延應變誘導或增強薄膜鐵電性方面的研究和探索，并通過生長介電和鐵電超晶格獲得非本征的鐵電響應，在上述研究中要求襯底和薄膜是同構的，且多數采用了非硅材料，未見將半導體硅用在FTJ上的相關報道。

對于金屬/鐵電/半導體FTJ來講，最難的就是鐵電與半導體的直接外延集成問題，特別是將鐵電直接集成到主流半導體硅上，因為單晶硅半導體在空氣中很容易被氧化，實現鐵電薄膜和半導體硅的直接接觸十分困難。如果解決了這一問題，在以硅為航空母艦的現代信息產業中，硅工藝已經非常成熟，可以大大節省了生產線改裝的成本，直接利用現有的成熟的硅工藝，節省了人力、物力和科研成本的投入，意義非常重大。

發明內容

針對現有技術中存在的不足，本發明提供了一種異質結，該異質結具有自發極化和180^o疇界，在較大的外電場作用下，自發極化方向可以發生翻轉。

本發明還提供了該異質結的制備方法，通過本發明的方法，可以將鈦酸鍶直接沉積到非本征硅表面，實現了鈦酸鍶和非本征硅的良好結合。非本征硅，即非純硅，在本發明中指的是n型或p型摻雜的硅。

本發明還提供了一種鐵電隧道結，該隧道結具有三明治結構，勢壘寬度和勢壘高度同時可調，隧道電阻大大增強。

本發明還提供了該鐵電隧道結的制備方法，該方法能夠方便、快捷的制備該隧道結，便于工業化大生產。

本發明還提供了該鐵電隧道結的應用。

本發明通過方法的改進，在半導體上沉積了鈦酸鍶鐵電薄膜，所述半導體為非本征硅，具體是指n型或p型摻雜的硅，鈦酸鍶和半導體結合形成了鈦酸鍶/非本征硅異質結，該異質結性能良好，在異質結表面鍍上金屬電極，可以形成三明治結構的鐵電隧道結，其中異質結表面的金屬電極作為上電極，鈦酸鍶薄膜作為中間的勢壘層，非本征硅半導體作為下電極。異質結具有自發極化和180^o疇界，在較大的外電場作用下，自發極化方向可以發生翻轉，通過控制自發極化的翻轉可以實現對勢壘高度和勢壘寬度的調控。隧道結成分的改變，使所得鐵電隧道結的隧道電阻大大增強，在憶阻器和阻變存儲器——阻性開關器件中具有很好的應用。