一種異質(zhì)結(jié)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種異質(zhì)結(jié)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]異質(zhì)結(jié)是指由不同材料構(gòu)成的多層膜結(jié)構(gòu)，基于異質(zhì)結(jié)中的多種物理學(xué)現(xiàn)象，使其在光電信息等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。其中，利用異質(zhì)結(jié)的電致電阻效應(yīng)和磁電阻效應(yīng)等物理學(xué)現(xiàn)象使得異質(zhì)結(jié)在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003]電致電阻效應(yīng)是指材料的電阻可以通過(guò)外電場(chǎng)來(lái)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)其在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間反復(fù)轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，基于電致電阻效應(yīng)的阻變存儲(chǔ)器(RRAM，Resistive Random AccessMemory)由于其制備簡(jiǎn)單、操作電壓低以及存儲(chǔ)密度高等優(yōu)點(diǎn)而在新型存儲(chǔ)領(lǐng)域具有很大的發(fā)展空間；磁電阻效應(yīng)是指材料的電阻可以通過(guò)外磁場(chǎng)來(lái)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)電阻隨磁場(chǎng)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，基于磁電阻效應(yīng)的磁傳感器、磁頭以及磁電阻型的隨機(jī)存儲(chǔ)器等，由于其讀寫(xiě)速度快、耗能少以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而在磁存儲(chǔ)等領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展。
[0004]然而，隨著集成化程度的進(jìn)一步提高和器件尺度的進(jìn)一步減小，半導(dǎo)體器件已經(jīng)越來(lái)越接近其物理極限，基于電致電阻效應(yīng)的阻變存儲(chǔ)器和基于磁電阻效應(yīng)的磁傳感器等的進(jìn)一步發(fā)展也越來(lái)越難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實(shí)施例中提供了一種異質(zhì)結(jié)及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中異質(zhì)結(jié)只能實(shí)現(xiàn)電致電阻效應(yīng)或磁電阻效應(yīng)的一種，在存儲(chǔ)領(lǐng)域受到限制的問(wèn)題。
[0006]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)了如下技術(shù)方案:
[0007]—種異質(zhì)結(jié)，包括由半導(dǎo)體材料組成的第一電極層和由磁性氧化物材料組成的第二勢(shì)皇層，以及在所述第一電極層和所述第二勢(shì)皇層的接觸面之間夾設(shè)的2-4nm厚的第一勢(shì)皇層;所述第一勢(shì)皇層為第一電極層中半導(dǎo)體材料的氧化物;所述第二勢(shì)皇層的厚度為6-10nm，所述第二勢(shì)皇層上還引出有第二電極;所述第一電極層為η型摻雜Si層，所述第一勢(shì)皇層為Si02-V層，所述第二勢(shì)皇層為CoFe2O4I層，其中，0.l<v<0.5,0.l〈w〈0.5。
[0008]優(yōu)選的，所述第二勢(shì)皇層在所述第一電極層所在的平面內(nèi)的投影位于所述第一電極層之內(nèi)。
[0009]優(yōu)選的，所述第二電極為In電極。
[0010]優(yōu)選的，異質(zhì)結(jié)還包括絕緣體，所述絕緣體包覆所述第一勢(shì)皇層和所述第二勢(shì)皇層的全部外表面以及所述第一電極層和所述第二電極的部分外表面。
[0011 ] 優(yōu)選的，所述絕緣體為HfO絕緣體，且所述絕緣體的厚度為10-16nm。
[0012]一種異質(zhì)結(jié)的制備方法，包括:
[0013]步驟S100:在由半導(dǎo)體材料Si組成的第一電極層上覆蓋設(shè)置有第一開(kāi)口的第一金屬掩膜板；
[0014]步驟S200:利用脈沖激光沉積設(shè)備，在覆蓋有所述第一金屬掩膜板的所述第一電極層上沉積磁性氧化物CoFe204，形成6-8nm厚的第二勢(shì)皇層CoFe204-w層，0.l〈w〈0.5，并在所述第一電極層和所述第二勢(shì)皇層的接觸面上生成2_4nm厚的第一勢(shì)皇層Si02-V層，0.1<ν<
0.5，其中沉積氛圍為純度高于99.99%的氧氣，沉積壓強(qiáng)在1.4-1.8Pa的范圍內(nèi)，沉積能量為300mJ，沉積時(shí)長(zhǎng)為12-16分鐘；
[0015]步驟S300:在所述第二勢(shì)皇層上引出第二電極。
[0016]優(yōu)選的，在步驟S200之后還包括:步驟S201:在所述第二勢(shì)皇層上覆蓋設(shè)置有第二開(kāi)口的第二金屬掩膜板，其中所述第二開(kāi)口的內(nèi)部設(shè)置有覆蓋部，且所述覆蓋部在所述第一電極層上的投影在所述第一開(kāi)口的投影內(nèi)，所述第一開(kāi)口在所述第一電極層上的投影在所述第二開(kāi)口的投影內(nèi)；
[0017]步驟S202:利用脈沖激光設(shè)備，在真空度高于6X 10—5Pa的真空氛圍中，控制沉積能量為200mJ的條件下，在覆蓋有所述第二金屬掩膜板的所述第二勢(shì)皇層上沉積絕緣體HfO，沉積20-32分鐘，形成10-16nm厚的Hf O絕緣體。
[0018]由以上技術(shù)方案可見(jiàn)，本發(fā)明實(shí)施例提供的異質(zhì)結(jié)，設(shè)置有氧離子可在其中自由移動(dòng)的第一勢(shì)皇層和第二勢(shì)皇層，通過(guò)調(diào)節(jié)氧離子的運(yùn)動(dòng)，便可在異質(zhì)結(jié)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)電致電阻效應(yīng)與磁電阻效應(yīng)，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的調(diào)控下，異質(zhì)結(jié)可處于多重電阻狀態(tài)，從而進(jìn)一步增加異質(zhì)結(jié)在多態(tài)存儲(chǔ)以及模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等諸多領(lǐng)域的發(fā)展前景。另外，第一勢(shì)皇層采用在制備第二勢(shì)皇層時(shí)控制條件自然生成的方式，不僅可簡(jiǎn)化制備工藝，還可使得第一勢(shì)皇層和第二勢(shì)皇層中氧離子的自由移動(dòng)不受限制，更好的實(shí)現(xiàn)集電致電阻效應(yīng)與磁電阻效應(yīng)于一體。
【附圖說(shuō)明】
[0019]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種異質(zhì)結(jié)的制備方法流程示意圖；
[0022]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種異質(zhì)結(jié)的電阻隨電壓變化曲線的示意圖；
[0023]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種異質(zhì)結(jié)的電阻隨磁場(chǎng)變化曲線的示意圖；
[0024]圖示說(shuō)明:
[0025]1-第一電極層，2-第一勢(shì)皇層，3-第二勢(shì)皇層，4-第二電極，5-絕緣體。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0027]為了實(shí)現(xiàn)未來(lái)信息存儲(chǔ)和通訊領(lǐng)域?qū)ζ骷叽绺?、密度更高、能耗更低以及壽命更長(zhǎng)的要求，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種異質(zhì)結(jié)，可以實(shí)現(xiàn)集電致電阻與磁電阻效應(yīng)于一體。圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種異質(zhì)結(jié)，包括由半導(dǎo)體材料組成的第一電極層I和由磁性氧化物材料組成的第二勢(shì)皇層2，以及在第一電極層I和第二勢(shì)皇層2的接觸面之間夾設(shè)的2-4nm厚的第一勢(shì)皇層2，其中，異質(zhì)結(jié)的電阻主要來(lái)源于第一勢(shì)皇層2，當(dāng)?shù)谝粍?shì)皇層2的厚度小于2nm時(shí)，異質(zhì)結(jié)的電阻就會(huì)過(guò)小，從而不能具有電致阻變效應(yīng)，而當(dāng)?shù)谝粍?shì)皇層2的厚度大于4nm時(shí)，異質(zhì)結(jié)就會(huì)因?yàn)閯?shì)皇層過(guò)厚，電子不能隧穿，從而不能具有磁電阻效應(yīng)。
[0028]另外，第一勢(shì)皇層2為第一電極層I中半導(dǎo)體材料的氧化物，在本發(fā)明實(shí)施例提供的異質(zhì)結(jié)中，第一電極層I采用η型摻雜的Si層，第一勢(shì)皇層2為S12I層，第二勢(shì)皇層3為CoFe204-w層，其中Si02-V層為在氧氛圍中制備CoFe204-w層時(shí)，在Si層和CoFe204-v層的接觸面之間自然氧化形成的，當(dāng)一定的條件下制備6-10nm的CoFe204-w層時(shí)，便會(huì)自動(dòng)生成2_4nm厚的S12I層，其中S12I中V表示氧空位，且0.1〈ν〈0.5，表示S12I層中氧空位濃度在5%-25%之間，CoFe204-w層中，w表示氧空位，且0.l〈w〈0.5，表示CoFe204-w層中氧空位濃度在2.5%-12.5%之間，第一勢(shì)皇層2和第二勢(shì)皇層3均為含有氧空位的勢(shì)皇層。其中，氧空位濃度如果高于上述范圍，則導(dǎo)致S12I層中氧空位過(guò)多，從而更接近半導(dǎo)體導(dǎo)電特性，同時(shí)CoFe2O4I層中氧空位過(guò)多，更接近金屬導(dǎo)電特性，因此過(guò)高的氧空位濃度會(huì)使得異質(zhì)結(jié)的電阻過(guò)小，不能產(chǎn)生電致電阻效應(yīng)和磁電阻效應(yīng);另外，氧空位濃度如果低于上述范圍，則導(dǎo)致Si02-V層和CoFe204-w層中氧空位過(guò)少，氧離子不能在其中自由移動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)電致電阻效應(yīng)中電場(chǎng)對(duì)氧離子運(yùn)動(dòng)的調(diào)控，因此本發(fā)明實(shí)施例提供的異質(zhì)結(jié)，通過(guò)控制氧空位的含量，控制氧離子在其中的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)及電致電阻效應(yīng)與磁電阻效應(yīng)于一體。
[0029]此外，第二勢(shì)皇層3上還引出有第二電極4，第二電極4和第一電極層I均用于連接外部電路，方便外部電路對(duì)異質(zhì)結(jié)施加電壓和電流。在本發(fā)明實(shí)施例提供的異質(zhì)結(jié)中，第二電極4采用電阻較小，且易于制備的In電極。
[0030]為了便于本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好的理解本發(fā)明實(shí)施例提供的異質(zhì)結(jié)中能夠集電致電阻效應(yīng)和磁電阻效應(yīng)的于一體原因，下面將對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0031 ]由于在缺氧的氛圍中制備，制備成的第一勢(shì)皇層2和第二勢(shì)皇層3均為含有大量氧空位的氧化物層，因此在外加電場(chǎng)的作用下，氧離子可以在第一勢(shì)皇層2和第二勢(shì)皇層3之間自由移動(dòng)，當(dāng)在異質(zhì)結(jié)上施加正電壓(即在第二電極4上施加正電壓，而在第一電極層I上施加負(fù)電壓)時(shí)，氧離子會(huì)由第一勢(shì)皇層2移動(dòng)至第二勢(shì)皇層3，從而使得第一勢(shì)皇層2中氧離子的含量減少，由于第一勢(shì)皇層2為第一電極層I自然氧化而來(lái)，因此第一勢(shì)皇層2中氧離子含量減少，便相當(dāng)于第一勢(shì)皇層2發(fā)生還原反應(yīng)，第一勢(shì)皇層2還原為第一電極層I，從而導(dǎo)致第一勢(shì)皇層2厚度減小，而第一電極層I厚度增加。由于異質(zhì)結(jié)的電阻主要來(lái)源于第一勢(shì)皇層2，故第一勢(shì)皇層2厚度的減小便會(huì)而引起異質(zhì)結(jié)的電阻減小，即異質(zhì)結(jié)的電阻隨著正電壓的施加而減??；同理，當(dāng)在異質(zhì)結(jié)上施加負(fù)電壓(即在第二電極4上施加負(fù)電壓，而在第一電極層I上施加正電壓)時(shí)，異質(zhì)結(jié)的電阻會(huì)隨著負(fù)電壓的施加而增大。由此產(chǎn)生的便是異質(zhì)結(jié)的電致電阻效應(yīng)，其電阻隨外加電壓的變化如圖3所示，圖中的箭頭表示電阻隨電壓走向的變化，其中，低阻態(tài)表示電阻較低的狀態(tài)，高阻態(tài)表示電阻較高的狀態(tài)，Vre3se3t表示異質(zhì)結(jié)電阻由低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)時(shí)所需的電壓，Vse3t表示異質(zhì)結(jié)電阻由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)時(shí)所需的電壓。由圖中可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的異質(zhì)結(jié)具有良好的電致電阻效應(yīng)，其電阻隨外加電壓的變化，在高阻態(tài)和和低阻態(tài)之間變化，其中電阻最大值是電阻最小值的70倍。
[0032]另外，本發(fā)明實(shí)施例提供的異質(zhì)結(jié)，其磁電阻起源于第二勢(shì)皇層3S卩CoFe2O4I層的自旋過(guò)濾效應(yīng)，由于第二勢(shì)皇層3S卩CoFe204-w中不同自旋方向的勢(shì)皇高度不同，其中磁場(chǎng)變化下的磁電阻也不相同。當(dāng)調(diào)節(jié)電阻值高阻態(tài)時(shí)，氧離子聚集于第一勢(shì)皇層2中，而第二勢(shì)皇層3中則有大量的氧空位，大量氧空位的存在則直接增強(qiáng)第二勢(shì)皇層3的磁性，增大勢(shì)皇的自旋劈裂大小，從而增強(qiáng)其自旋過(guò)濾效應(yīng)，并增大磁電阻的大小。其電阻隨外加磁場(chǎng)的變化如圖4所示，圖中顯示的是異質(zhì)結(jié)的電阻隨磁場(chǎng)的變化，由圖中