一種基于ZnO壓電效應(yīng)的低功耗柔性阻變存儲(chǔ)器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于非易失性阻變存儲(chǔ)器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種低功耗的非揮發(fā)型柔性電阻式隨機(jī)讀取存儲(chǔ)器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨機(jī)讀取存儲(chǔ)器(RAM)是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的一種重要形式，主要用作主存儲(chǔ)器(內(nèi)存)，具有超高的存取速度和寫入耐久性，如靜態(tài)RAM (SRAM)的讀寫時(shí)間均小于0.3ns，讀寫壽命可高達(dá)1016次。然而，RAM具有易失性，斷電后數(shù)據(jù)丟失?？扉W存儲(chǔ)器(flashmemory)作為目前最先進(jìn)的非易失性存儲(chǔ)器，卻存在存儲(chǔ)速度慢(105?10 6ns)，耐久性低(寫壽命約為105次)等問題。此外，隨著晶體管趨向于亞微米級(jí)，一系列的問題開始出現(xiàn)，包括制作工藝的困難和器件性能的限制如電子的運(yùn)行難以控制等，基于晶體管的傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)遇到了發(fā)展瓶頸，快閃存儲(chǔ)器將會(huì)在十年內(nèi)達(dá)到體積縮小的極限。同時(shí)，由于密集光刻成本的增加，器件本身存在物理缺陷等原因，CMOS技術(shù)也將達(dá)到其發(fā)展的極限。因此，迫切需要研發(fā)新的非易失性存儲(chǔ)器件和技術(shù)，以滿足對(duì)初、中級(jí)存儲(chǔ)設(shè)備不斷增長(zhǎng)的高密度、低功耗和高速度的要求。阻變存儲(chǔ)器(ReRAM)具有納米級(jí)尺寸、快速轉(zhuǎn)換(<10ns)、高耐久性(101°次)、多狀態(tài)操作、可堆棧性以及與CMOS工藝相兼容性等特點(diǎn)，為半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展帶來新的希望。特別是基于金屬氧化物雙穩(wěn)態(tài)電阻開關(guān)特性的ReRAM具有快的讀寫時(shí)間(幾十個(gè)納秒)、較低的處理溫度(低于300°C )且與3維堆垛結(jié)構(gòu)相兼容等優(yōu)點(diǎn)。因此，基于金屬氧化物的ReRAM有望成為最具潛力的新一代存儲(chǔ)器。
[0003]在電阻開關(guān)現(xiàn)象中，施加于器件兩端的偏壓從0開始逐步增加，當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，通過器件的電流瞬間增大，ReRAM從初始狀態(tài)的高阻態(tài)轉(zhuǎn)換為低阻態(tài)。這一過程被稱為置位(set)，相當(dāng)于存儲(chǔ)器中的信息寫入過程。當(dāng)偏壓再次從0增大到某一值時(shí)，通過器件的電流由大瞬間變小，ReRAM從低阻態(tài)回復(fù)到高阻態(tài)。這一過程被稱為復(fù)位(reset)，相當(dāng)于存儲(chǔ)器中的信息擦除過程。ZnO作為一種寬禁帶半導(dǎo)體及最重要的功能材料之一，受到了研究人員的廣泛關(guān)注。應(yīng)用ZnO獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)及壓電特性，人們已研發(fā)出ZnO納米線/帶基場(chǎng)效應(yīng)晶體管、紫外激光器、光電阻變開關(guān)、發(fā)光二極管、太陽(yáng)能電池、壓電傳感器及驅(qū)動(dòng)器。更重要的是，把ZnO的半導(dǎo)體性能和壓電特性相耦合，發(fā)明了納米發(fā)電機(jī)、壓電場(chǎng)效應(yīng)晶體管、壓電二極管及壓電化學(xué)傳感器，這些都是壓電電子學(xué)的基本構(gòu)件。ZnO薄膜基ReRAM的研究始于2007年，目前還存在操作電壓大、器件功耗高等問題，這些問題的存在延長(zhǎng)了器件的操作時(shí)間，使器件功耗增加，大大減少了器件的壽命。
[0004]壓電效應(yīng)是指特定晶體材料在應(yīng)力作用下變形時(shí)所產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象，即一種機(jī)械能與電能互換的現(xiàn)象，壓電材料在拉、壓應(yīng)力作用下，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。理論研究表明，當(dāng)金屬與壓電半導(dǎo)體接觸時(shí)，界面形成肖特基勢(shì)皇，金屬這一側(cè)電子能帶的變化可以忽略。而半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲，最大的能帶彎曲發(fā)生在界面處，而遠(yuǎn)離界面處的能帶結(jié)構(gòu)未有變化。如果在金屬-壓電半導(dǎo)體界面有正的殘余壓電電勢(shì)，那么勢(shì)皇高度會(huì)減小。足夠大的殘余壓電電勢(shì)(大于肖特基勢(shì)皇高度)可以把肖特基勢(shì)皇變?yōu)闅W姆接觸。如果在金屬-壓電半導(dǎo)體界面有負(fù)的殘余壓電電勢(shì)，那么勢(shì)皇高度會(huì)進(jìn)一步增大，形成具有高閾值電壓的肖特基二極管。除了定性分析夕卜，一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與上述所說的界面能帶工程模型相吻合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的一個(gè)目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于ZnO壓電效應(yīng)的低功耗柔性ReRAM，該低功耗柔性ReRAM是利用外力作用來實(shí)現(xiàn)低功耗ReRAM。將ZnO的半導(dǎo)體性能和壓電特性相結(jié)合，在柔性PET襯底上制備基于ZnO薄膜的ReRAM ;改變作用在柔性襯底上的應(yīng)力，使得ZnO薄膜中應(yīng)變極性發(fā)生相應(yīng)的改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的Set和Reset電壓的調(diào)控，從而最終獲得低功耗的柔性ReRAM。
[0006]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為:
[0007]本發(fā)明低功耗柔性ReRAM從上至下依次包括TE層、ZnO層、ΙΤ0/ΡΕΤ層，其中ΙΤ0/PET為實(shí)驗(yàn)室常用ΙΤ0導(dǎo)電膜，面電阻小于35±5Ω ;ΤΕ層為若干個(gè)直徑100 μ m的圓形金屬上電極(TE)，選用功函數(shù)大于ZnO功函數(shù)(4.2eV)的金屬Pt、Cu或Au ;其中ZnO層的厚度范圍為50?150nm，TE層的厚度范圍為100?120nm。
[0008]本發(fā)明的另一個(gè)目的是上述低功耗柔性ReRAM的制備方法，該方法包括以下步驟:
[0009]步驟⑴、ΙΤ0/ΡΕΤ柔性襯底作為下電極，通過濺射法制備ZnO薄膜:以ΙΤ0/ΡΕΤ作為襯底，通過濺射法在襯底表面形成ZnO薄膜，得到ZnO/ITO/PET ;
[0010]所述的ZnO薄膜的厚度范圍為50?150nm，可通過調(diào)節(jié)派射條件來控制的ZnO厚度。
[0011]所述的ΙΤ0/ΡΕΤ為實(shí)驗(yàn)室常用ΙΤ0導(dǎo)電膜，面電阻小于35±5Ω，可通過購(gòu)買獲得;
[0012]作為優(yōu)選，濺射條件:壓強(qiáng)保持在0.1?0.3Pa，Ar流量為10?30sccm，濺射功率為55W，沉積時(shí)間控制在30?90分鐘。
[0013]步驟(2)、金屬上電極(TE)的制備:
[0014]將制備得到的ZnO/ITO/PET基體放于沉積室內(nèi)，用掩模法通過電子束蒸發(fā)金屬上電極，使得ZnO薄膜上沉積金屬薄膜電極，最終得到柔性ΤΕ/Ζη0/ΙΤ0/ΡΕΤ器件；
[0015]所述的金屬上電極(TE)可以選用功函數(shù)大于ZnO功函數(shù)(4.2eV)的Pt、Cu、Au薄膜做上電極，上電極金屬薄膜的厚度范圍為100?120nm。
[0016]掩模法條件:直徑為100 μπι的圓形金屬上電極(ΤΕ)在電子束蒸發(fā)鍍膜儀中通過不銹鋼掩模板沉積在ZnO薄膜上。
[0017]電子束蒸發(fā)條件:在制備所得的ZnO薄膜上，放置一片沖有圓孔的不銹鋼掩模板以遮擋下電極和部分ZnO薄膜，再將ZnO/ITO/PET基體及掩模板送入電子束蒸發(fā)鍍膜儀中。當(dāng)腔體的本底真空抽至6X 10 5Pa時(shí)，打開蒸發(fā)擋板向ZnO薄膜上沉積金屬上電極。
[0018]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明通過ZnO薄膜本身的壓電效應(yīng)來調(diào)控其set和reset電壓，以期減小器件的操作電壓，降低器件的功耗，從而延長(zhǎng)器件的壽命。在壓應(yīng)變下，ZnO/TE界面有正的殘余壓電電勢(shì)，那么勢(shì)皇高度會(huì)減小，使得set及reset電壓減小。而在拉應(yīng)變下，ZnO/ΤΕ界面有負(fù)的殘余壓電電勢(shì)，那么勢(shì)皇高度會(huì)進(jìn)一步增大，使得set及reset電壓增大。
【附圖說明】
[0019]圖1為Cu/ZnO/ITO/PET器件置于PMMA懸臂梁的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為Cu/ZnO/ITO/PET器件無應(yīng)變時(shí)set、reset電壓的變化；
[0021]圖3為Cu/ZnO/ITO/PET器件在拉應(yīng)變下set、reset電壓的變化；
[0022]圖4為Cu/ZnO/ITO/PET器件在壓應(yīng)變下set、reset電壓的變化。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的分析。
[0024]以下實(shí)施例采用將本發(fā)明柔性ΤΕ/Ζη0/ΙΤ0/ΡΕΤ樣品固定于PMMA懸臂梁的底部，如圖1所示。懸臂梁可以左右彎曲來獲得不同的應(yīng)變。由于懸臂梁的厚度遠(yuǎn)大于ZnO薄膜的厚度，我們認(rèn)為ZnO薄膜中可以產(chǎn)生均勻的壓/拉應(yīng)變。因此，ZnO薄膜上的應(yīng)變可以通過此懸臂梁來量化。記錄懸臂梁在拉應(yīng)變/壓應(yīng)變情況下的變形量，根據(jù)材料力學(xué)中的形變公式，獲得相應(yīng)的應(yīng)變值。阻變性能分析:采用1-V曲線測(cè)試儀分析柔性ZnO基ReRAM的電學(xué)性能。
[0025]實(shí)施例1:
[0026]1.ZnO薄膜的射頻磁控濺射