一種基于氧化鎵薄膜的單極型阻變存儲器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于氧化鎵薄膜的單極型阻變存儲器。本發(fā)明由下電極、阻變層和上電極構(gòu)成，具體是指以Pt/Ti/SiO2/Si襯底為下電極，采用激光脈沖沉積的方法在襯底上生長非晶氧化鎵薄膜作為阻變層，再通過磁控濺射的方法濺射直徑為200μm的Pt點電極作為上電極，制備得到的Pt/Ga2O3-x/Pt三明治結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點：制備過程簡單，工藝可控性強，易操作，所得薄膜表面致密、厚度穩(wěn)定均一、結(jié)構(gòu)連續(xù)，制備的氧化鎵薄膜單極型阻變存儲器，具有高低阻值比大、保持性能好、存儲密度高、易讀取等優(yōu)勢。本發(fā)明制備的氧化鎵薄膜單極型阻變存儲器在非易失性存儲領(lǐng)域具有良好的應用前景。
【專利說明】一種基于氧化鎵薄膜的單極型阻變存儲器及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于非易失性存儲器件【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于Pt/Ga203_x/Pt三明治結(jié)構(gòu)的單極型阻變存儲單元及其制備方法。
技術(shù)背景
[0002]近年來，鑒于阻變存儲器(Resistive Random Access Memory, RRAM)的存儲單兀結(jié)構(gòu)簡單、工作速度快、功耗低、信息保持穩(wěn)定、具有不揮發(fā)性，且易于實現(xiàn)三維立體集成和多值存儲，有利于提高集成密度等多方面的優(yōu)越性能，引起了科研人員的廣泛關(guān)注，并成為新一代存儲技術(shù)研究的熱點。阻變存儲器通常由金屬/絕緣層/金屬三明治結(jié)構(gòu)構(gòu)成，金屬層為上、下電極，而中間絕緣層則為阻變材料。當在兩個電極之間施加一定幅度和一定寬度的脈沖電壓，阻變層材料就會在高、低兩個穩(wěn)定的阻態(tài)之間進行可逆的轉(zhuǎn)換，可以進行“0”和“ 1 ”信息穩(wěn)定的存儲，從高阻態(tài)到低阻態(tài)的過程稱之為“Set”，而低阻態(tài)到高阻態(tài)的過程則稱之為“Reset”。
[0003]阻變存儲器根據(jù)其實現(xiàn)高、低阻態(tài)轉(zhuǎn)變所需施加電壓的極性可分為兩類:單極型(Unipolar)阻變存儲器和雙極型(Bipolar)阻變存儲器。前者指的是在不同大小的電場作用下發(fā)生阻變效應，與電場的方向無關(guān)；而后者則是在不同極性電壓作用下發(fā)生阻變效應，即正向電壓作用下，電阻從低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)；相反，在反向電壓作用下，電阻從高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)。相比于雙極型，單極型阻變存儲器具有高低阻值比大、存儲密度高、易讀取等優(yōu)點受到了科研人員的青睞。更為重要的是，在阻變儲存器的應用方面，為了防止阻變存儲單元交叉陣列結(jié)構(gòu)間的誤讀，科研人員往往在每個阻變單元上串聯(lián)一個整流二極管，這使得只有無極性的單極型阻變存儲才適合該改造，而雙極型的阻變儲存則失去了其原有的功倉泛。
[0004]氧化鎵禁帶寬度大(?4.9eV)，暗電流小，具有無毒、無害、成本低和紫外可見光透過率高等優(yōu)點，并對氧極為敏感，是一種很有研究價值的氧化物薄膜存儲材料。目前報道的有關(guān)氧化鎵薄膜的阻變存儲器都為雙極型阻變行為，并且其阻變機制還存在較大爭議，如Gao等認為其阻變行為是由氧空位導電細絲引起[APL，97，193501 (2010)]，而Aoki等則認為其是由氧離子體效應引起[Nature Commun.5，3473 (2014)]。然而，關(guān)于氧化鎵薄膜的單極型阻變行為至今卻沒見報道。
[0005]本發(fā)明制備并觀測到了氧化鎵薄膜單極型阻變行為，系統(tǒng)地測試了其重復性、保持性等。該發(fā)明為氧化鎵基薄膜單極型阻變存儲器的應用提供理論和技術(shù)支持。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種阻變性能好、讀寫操作重復性和穩(wěn)定性好的氧化鎵薄膜單極型阻變儲存器及其制備方法。
[0007]本發(fā)明是以下述技術(shù)方案得以實現(xiàn)的:
[0008]一種基于氧化鎵薄膜的單極型阻變存儲器，其特征在于:由下電極、阻變層和上電極構(gòu)成，阻變層為氧化鎵薄膜，氧化鎵的成分為Ga203_x，其中X為0.2-0.4，氧化鎵阻變層的厚度為250nm — 350nm，上電極、下電極均為Pt金屬，上電極為點電極，直徑為200 μ m。作為更佳選擇，其中X為0.3，氧化鎵阻變層的厚度為300nm ；
[0009]一種基于氧化鎵薄膜單極型阻變存儲器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0010](1)以Pt/Ti/Si02/Si為襯底，用粘有酒精的棉球擦洗干凈，自然晾干；
[0011](2)將清洗干凈的Pt/Ti/Si02/Si襯底用硅片擋住一部分，在襯底中未用硅片擋住部分采用激光脈沖沉積技術(shù)生長氧化鎵薄膜，具體操作參數(shù)如下:工作氣壓lX10_6Pa，襯底溫度300°C，靶基距5cm，激光能量4.5J/cm2—5.5J/cm2，激光頻率2Hz，激光脈沖次數(shù)5000下；
[0012](3)將步驟(2)中制備的氧化鎵薄膜用掩膜板遮擋，采用射頻磁控濺射方法濺射一層厚度為150nm、直徑為200 μ m的Pt點電極作為上電極，濺射工藝條件如下:本底真空小于10_4Pa，襯底溫度室溫，工作氣氛為Ar氣，工作氣壓為0.8Pa,濺射功率為40W，濺射時間為5min。
[0013]本發(fā)明以Pt/Ti/Si02/Si襯底為下電極，通過激光脈沖沉積技術(shù)生長非晶氧化鎵薄膜作為阻變層，再通過磁控濺射的方法濺射直徑為200 μ m的Pt點電極作為上電極，制備了 Pt/Ga203_x/Pt三明治結(jié)構(gòu)，具體步驟如下:
[0014](1)先取一片10mmX5mmX0.5mm大小的Pt/Ti/Si02/Si為襯底(購置于中國科學院上海光學精密機械研究所，Pt、T1、Si02的厚度分別為:200nm、50nm、500nm)，用粘有酒精的棉球擦洗干凈，自然晾干；
[0015](2)將上述清洗干凈的Pt/Ti/Si02/Si襯底用硅片擋住一部分，采用激光脈沖沉積技術(shù)生長氧化鎵薄膜(?300nm)，具體參數(shù)如下:工作氣壓1 X l(T6Pa (本底真空)，襯底溫度300°C，靶基距5cm，激光能量?5J/cm2，激光頻率2Hz，激光脈沖次數(shù)5000下；
[0016](3)將步驟(2)中制備的氧化鎵薄膜用掩膜板遮擋，采用射頻磁控濺射方法濺射一層厚度為150nm-200nm、直徑為200 μ m的Pt點電極作為上電極，濺射工藝條件如下:本底真空小于10_4Pa，襯底溫度室溫，工作氣氛為Ar氣，工作氣壓為0.8Pa,濺射功率為40W，派射時間為5min。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果是:
[0018]本發(fā)明制備過程簡單，所用襯底為商業(yè)產(chǎn)品；本發(fā)明在制備過程中，采用激光脈沖沉積方法制備氧化鎵薄膜，工藝可控性強，易操作，所得薄膜表面致密、厚度穩(wěn)定均一、結(jié)構(gòu)連續(xù)。所制備的器件結(jié)構(gòu)具有很大的存儲窗口和良好的保持特性的性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是用本發(fā)明方法制得的Pt/Ga203_x/Pt單極型阻變存儲器件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2是用本發(fā)明方法制得的Pt/Ga203_x/Pt三明治結(jié)構(gòu)單極型阻變行為的I_V曲線圖(Set過程限流為±6mA)；
[0021]圖3是用本發(fā)明方法制得的Pt/Ga203_x/Pt單極型阻變行為的重復性(圖中示出70個循環(huán))；
[0022]圖4是用本發(fā)明方法制得的Pt/Ga203_x/Pt單極型阻變存儲單元高、低阻態(tài)的保持性能；

【具體實施方式】
[0023]以下結(jié)合實例進一步說明本發(fā)明。
[0024]實施例1
[0025]取一片10mmX 5mmX0.5mm大小的Pt/Ti/Si02/Si為襯底，用粘有酒精的棉球擦洗干凈，自然晾干。將上述清洗干凈的襯底用硅片擋住一部分，采用激光脈沖沉積技術(shù)生長一層300nm厚度的氧化鎵薄膜(具體參數(shù)如下:工作氣壓為本底真空氣壓1 X 10_6Pa，襯底溫度300°C，靶基距5cm，激光能量& 5J/cm2，激光頻率2Hz，激光脈沖次數(shù)5000下)。將上述制備的氧化鎵薄膜用掩膜板遮擋，采用射頻磁控濺射方法濺射一層厚度為150nm、直徑為200 μ m的Pt點電極作為上電極(濺射工藝條件如下:本底真空小于10_4Pa，襯底溫度為室溫，工作氣氛為Ar氣，工作氣壓為0.8Pa，濺射功率為40W，濺射時間為5min)。經(jīng)過上述實驗過程即可制備得到Pt/Ga203_x/Pt三明治結(jié)構(gòu)，如圖1所示。將該結(jié)構(gòu)移至探測臺，將兩探針分別置于Pt上電極、下電極。設(shè)置限制電流為6mA，掃描電壓為0V —+8V —0V，在電壓比較低的情況下，電流很小，而在3.92V處電流迅速增加至限制電流值6mA，電阻從高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，此時當電壓減小至零該結(jié)構(gòu)仍保持在低阻態(tài)，此過程為“Set”過程。第二次1-V掃描時，不限流量，且電壓變?yōu)?V — +3V — 0V?？梢钥闯?，隨著電壓的增加電流線性增加，并在1.92V處突然減小，此時低阻態(tài)回到高阻態(tài)，同樣當電壓減小至零該結(jié)構(gòu)仍保持在高阻態(tài)，此過程為“Reset”過程。另外，在負電壓方向，即0V — -8V — 0V(限流)和0V —-3V —0V(不限流)的掃描模式下，同樣也得到了與正向類似的結(jié)果，如圖2所示。以上結(jié)果說明該Pt/Ga203_x/Pt三明治結(jié)構(gòu)具有單極型阻變行為。圖3示出了正向電壓下70個Set和Reset過程的循環(huán)測試，從圖中可以得出該結(jié)構(gòu)的單極型阻變行為的重復性較好。同時，該器件具有很大的高低阻值比(?104)，且高阻態(tài)和低阻態(tài)在0.1V的讀取電壓下保持104s后電阻仍沒有發(fā)生變化，說明高、低阻態(tài)間的存儲窗口具有良好的保持特性，如圖4所示。以上結(jié)果表明氧化鎵薄膜可以制備性能良好的單極型阻變存儲器。
【權(quán)利要求】
1.一種基于氧化鎵薄膜的單極型阻變存儲器，其特征在于:由下電極、阻變層和上電極構(gòu)成，阻變層為氧化鎵薄膜，氧化鎵的成分為Ga2CVx，其中X為0.2-0.4，氧化鎵阻變層的厚度為250nm — 350nm，上電極、下電極均為Pt金屬，上電極為點電極，直徑為200 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氧化鎵薄膜的單極型阻變存儲器，其特征在于:氧化鎵的成分為Ga203_x，其中X為0.3，氧化鎵阻變層的厚度為300nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于氧化鎵薄膜單極型阻變存儲器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)以Pt/Ti/Si02/Si為襯底，用粘有酒精的棉球擦洗干凈，自然晾干； (2)將清洗干凈的Pt/Ti/Si02/Si襯底用硅片擋住一部分，在襯底中未用硅片擋住部分采用激光脈沖沉積技術(shù)生長氧化鎵薄膜，具體操作參數(shù)如下:工作氣壓lX10_6Pa，襯底溫度300°C，靶基距5cm，激光能量4.5J/cm2—5.5J/cm2，激光頻率2Hz，激光脈沖次數(shù)5000下； (3)將步驟(2)中制備的氧化鎵薄膜用掩膜板遮擋，采用射頻磁控濺射方法濺射一層厚度為150nm、直徑為200 μ m的Pt點電極作為上電極，濺射工藝條件如下:本底真空小于10_4Pa，襯底溫度室溫，工作氣氛為Ar氣，工作氣壓為0.8Pa,濺射功率為40W，濺射時間為5min。
【文檔編號】H01L45/00GK104409630SQ201410706693
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】李培剛, 郭道友, 安躍華, 吳真平, 唐為華, 汪鵬超, 王順利, 朱志艷 申請人:浙江理工大學