一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件及製備方法
2023-09-17 12:45:00 1
一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件及製備方法
【專利摘要】本發明公開了屬於磁場控制和存儲器製作【技術領域】的一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件的結構及製備方法。該磁場可控的矽基非易失性阻變器件在矩形單晶矽基片表面上設置2塊MgO區域，並於MgO上依次沉積相同面積大小的金屬電極。其製備方法為：將矩形單晶矽基片裁剪成矩形，並依次用丙酮、酒精和去離子水漂洗乾淨，然後在矩形單晶矽基片的表面沉積2個區域的MgO，並於MgO上沉積金屬電極，即可得到磁場可控的矽基非易失性阻變器件。所得到的矽基器件具有顯著的非易失性阻變特性，且可受磁場調控而表現或不表現出阻變特性，並同時具有磁阻特性。本發明的矽基非易失性阻變器件的結構簡單，原材料價格適中，製備工藝簡單，且環境友好。
【專利說明】—種磁場可控的矽基非易失性阻變器件及製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於磁場控制、存儲器製備【技術領域】，特別涉及一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件及製備方法。
【背景技術】
[0002]非易失性阻變存儲器因其快速的讀寫速度、大容量、低能耗和多位存儲等優點，而成為了下一代數據存儲的最佳候選器件(Mater.Today.11(2008)28)。目前主要的非易失性阻變存儲器都是金屬/氧化物/金屬結構，其主要的工作氧化物是簡單的二元氧化物如Ni0、Zn0和TiO2等，和多元氧化物如PrCaMnO3(PCMO)等。此外像半導體工業中最重要和最常用半導體矽也有被來用製備非易失性阻變存儲器。不過大多用到的是非晶態的矽，而使用晶態矽製備非易失性阻變存儲器卻非常少。然而與非晶矽相比，晶態矽因其大量的工業應用、成熟的製備手段、一定的遷移率和可調的電阻率而更顯重要性，做成非易失性阻變存儲器的前景很大。
[0003]矽除了上述提到的阻變特性外，還是一種磁性傳感材料，具有磁性響應。2011年，Wan等人(Nature477 (2011) 304)在前人基礎上利用幾何效應實現0.07T下10%和0.2T下100%的磁電阻，極大地提高了器件靈敏度和降低了器件工作所需的功耗。
[0004]具有阻變效應的MgO(Huang, Appl.Phys.Lett.96(2010) 193505)，因可作為絕緣材料、輕瀉劑、光學塗料等等而尤為重要。且在隧道結中被廣泛用作絕緣層(Parkin，Nat.Mater.3(2004)862)。但其本身不具備磁阻效應，不能用作磁性傳感。
[0005]將單晶矽與MgO組合可以實現磁場可控的的矽基非易失性阻變器件，該器件的阻變能受到磁場調控，並具有巨大的磁阻效應，在磁傳感和存儲領域具有潛在應用。
【發明內容】
[0006]本發明的目的提供一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件的結構及製備方法，其特徵在於:所述磁場可控的矽基非易失性阻變器件的結構是在矩形單晶矽基片表面上設置2塊MgO區域，並於MgO上依次沉積相同面積大小的1-2層金屬電極；每個區域的長度用L表示，寬度用W表示，區域之間的間距用d表示。
[0007]所述矩形單晶矽具有自然氧化矽層，厚度在0.5?5nm。
[0008]所述矩形單晶矽的電阻率大於1000 Ω.cm。
[0009]所述矩形單晶矽的遷移率大於1000cm2/Vs。
[0010]所述矩形單晶矽上MgO區域的L和W均為0.5?2_。
[0011]所述矩形單晶矽上MgO區域的間距在0.1?1_。
[0012]所述為兩層金屬電極為與MgO接觸的是Mg，Mg的表面是Ag。
[0013]所述Mg厚度為10?lOOnm，其Mg純度為99.99%。
[0014]所述Ag厚度為10?lOOnm，Ag純度為99.99%。
[0015]一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件的製備方法，其特徵在於，該方法具體步驟如下:
[0016](I)將η型單晶矽基片裁剪成矩形，並依次用丙酮、酒精和去離子水漂洗乾淨；
[0017](2)在矩形單晶矽基片的表面沉積2個面積相等區域的MgO，並於MgO上依次沉積1-2層金屬電極。
[0018]所述MgO和金屬電極均由雷射脈衝沉積法在室溫下生長。
[0019]所述MgO上依次沉積2層金屬電極是先Mg後Ag。
[0020]本發明的有益效果為:
[0021]1.所得到的磁場可控的矽基非易失性阻變器件的結構在溫度300K下，具有顯著的非易失性阻變特性。
[0022]2.所得到的磁場可控的矽基非易失性阻變器件的結構在溫度300K，磁場IT下，阻變效應將得到抑制。
[0023]3.所得到的磁場可控的矽基非易失性阻變器件的結構在溫度300K，磁場IT下，具有顯著的磁電阻效應。
[0024]4.所得到的磁場可控的矽基非易失性阻變器件的結構簡單，原材料價格適中，製備工藝簡單，且環境友好，是一種優異的器件。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1a和圖1b分別為磁場可控的矽基非易失性阻變器件的性能測試的俯視圖和側視圖，以及測試電路圖。
[0026]圖2a和圖2b分別為實施例1中79#樣品的磁場可控的矽基非易失性阻變器件正向激發過程，和正負向反覆激發後的電流電壓依賴關係。圖2b中插圖為圖2b的全貌圖。
[0027]圖3a和圖3b分別為實施例1中79#樣品的磁場可控的矽基非易失性阻變器件的翻轉次數測試和受磁場控制的翻轉特性。圖3b為圖3a中虛線框內的放大圖。
[0028]圖4為實施例1中83#樣品的磁場可控的矽基非易失性阻變器件的高低電阻態維持時間測試。
[0029]圖5為實施例1中10#樣品的磁場可控的矽基非易失性阻變器件在不同磁場下的電壓電流依賴關係。插圖為虛線所示區域附近計算的IT下磁阻隨電壓的依賴關係。
[0030]圖中標號:l_Ag電極；2_Mg電極；3_Mg0區域；4_Si02層；5_Si基底。
【具體實施方式】
[0031]本發明提供了一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件的結構及製備方法，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步說明。
[0032]圖1a為磁場可控的矽基非易失性阻變器件的俯視圖；圖1b為磁場可控的矽基非易失性阻變器件的側視圖以及測試電路圖。
[0033]圖1a和圖1b所示磁場可控的矽基非易失性阻變器件的結構圖以及測試電路圖，在矩形單晶矽基片5的Si02層4表面上設置2塊MgO區域3，並於MgO上依次沉積相同面積大小的2層金屬電極:Mg電極2和Ag電極I ;每個區域的長度用L表不，寬度用W表不，區域之間的間距用d表示。
[0034]實施例1[0035]將電阻率為3200 Ω.cm的η型矽(111)、基片用酒精或丙酮漂洗乾淨，並將其裁剪成長11.0X12.0mm2的矩形。用使用掩模板和雷射脈衝沉積方法在室溫(300Κ)和腔體氣壓為1.8 X KT4Pa下依次沉積20nm厚高純MgO (純度>99.995%)、60nm厚高純Mg (純度>99.99%)和20nm厚高純Ag (純度>99.99%)於矩形矽基片的中心部位。兩個區域的尺寸相同，在長度方向上為L=2mm，寬度方向上W=L 5mm,並且在寬度方向上相隔d=0.1mm。至此一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件就製備完成了。
[0036]實施例2
[0037]將電阻率為4000 Ω.cm的η型矽(100)基片用酒精或丙酮漂洗乾淨，並將其裁剪成長11.0X12.0mm2的矩形。用使用掩模板和雷射脈衝沉積方法在室溫(300Κ)和腔體氣壓為1.8 X KT4Pa下依次沉積40nm厚高純MgO (純度>99.995%)、80nm厚高純Mg (純度>99.99%)和40nm厚高純Ag (純度>99.99%)於矩形矽基片的中心部位。兩個區域的尺寸相同，在長度方向上為L=L 8mm,寬度方向上W=L 2mm,並且在寬度方向上相隔d=0.5mm。至此一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件就製備完成。
[0038]對製備的上述參數的器件進行測試，在兩個區域的Ag電極加上可調DC電壓(如圖1b所示)，圖2a展示了 79#器件正向測試時的電流電壓變化關係。在第一次測試中，當電壓小於167V時，電流幾乎是與電壓呈線性關係增長。當電壓達到167V時，電流陡增至限制電流20mA，表現出擊穿現象。隨後在第二次測試中，當電壓增加到6.8V時，電流陡然從0.44mA增加到3.5mA,出現電阻從15.4到1.94kΩ的跳變，即阻變性能。我們定義加載20mA —段時間到器件上為SET過程，而加載-20mA到器件上為RESET過程。圖2b顯示了器件經過35次反覆SET和RESET後O?20V範圍內的電流電壓關係。可以看出除了第一次SET後測試時曲線在6.8V跳躍外，後續的SET後測試曲線均在7.5?7.7V跳躍，而RESET後測試曲線均在8.2?8.7V間跳躍，且SET和RESET後的測試曲線能夠明顯分開一個Λ V的間距。當選取讀取電壓在這個間距內時，可以實現非易失性的阻變效應。
[0039]圖3a中所展示的是79#器件在室溫300K下以20mA維持5s為SET，在_20mA維持5s為RESET和以8V作為讀取電壓下的組態翻轉測試。每個點為5個點的平均值，每次翻轉的時間間隔為30s。可以看出器件至少可以連續翻轉?200次，且開關比(高低電阻態之比)為?103%。在測試的途中，我們用磁場對阻變性能進行了控制。圖3b為圖3a中虛線框內的放大圖。從該圖中我們可以明顯看出，在使用IT磁場測量時，電阻從高阻態往低阻態的跳躍被抑制，開關比從?103%減小為?110%。而當磁場撤去時，器件又能可逆地繼續在高低電阻態間跳躍。實驗中進行了 3次加磁場和撤去磁場下組態翻轉的測試，器件均能實現加磁場下組態翻轉被抑制，撤去磁場時又能實現組態翻轉的現象，顯示出磁場對器件阻變性能的可逆控制。
[0040]圖4中是83#樣品阻態維持時間測試。結果表明器件經過IO4S的測試沒有出現明顯的阻態變化。
[0041]此外，該器件具有明顯的電壓依賴的磁阻效應。圖5中展示了室溫下10#器件SET後電流電壓隨磁場的依賴關係，可以看出磁場能夠將電阻跳躍轉變點推向更高的電壓值。圖中插圖顯示在7.1V和IT下，磁阻可達?570%。
【權利要求】
1.一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件的結構，其特徵在於:在矩形單晶矽基片表面上設置2塊MgO區域，並於MgO上依次沉積相同面積大小的1-2層金屬電極；每個區域的長度用L表示，寬度用W表示，兩區域相向的側面之間的距離用d表示。
2.根據權利要求1所述的一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件，其特徵在於:所述矩形單晶矽為η型(100)或(111)。
3.根據權利要求1所述的一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件，其特徵在於:所述矩形單晶矽具有自然氧化矽層，厚度在0.5?5nm。
4.根據權利要求1所述的一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件，其特徵在於:所述矩形單晶矽的電阻率大於1000 Ω.cm。
5.根據權利要求1所述的一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件，其特徵在於:所述矩形單晶矽的遷移率大於1000cm2/Vs。
6.根據權利要求1所述的一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件，其特徵在於:所述矩形單晶矽上MgO區域的長度L和寬度W均為0.5?2mm。
7.根據權利要求1所述的一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件，其特徵在於:所述矩形單晶矽上MgO區域的間距在0.1?I謹。
8.根據權利要求1所述的一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件，其特徵在於:所述為兩層金屬電極為與MgO接觸的是Mg，Mg的表面是Ag。
9.根據權利要求1所述的一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件，其特徵在於:所述Mg厚度為10?lOOnm，其Mg純度為99.99%。
10.根據權利要求1所述的一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件，其特徵在於:所述Ag厚度為10?IOOnm, Ag純度為99.99%。
11.一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件的製備方法，其特徵在於，該方法具體步驟如下: (1)將η型單晶矽基片裁剪成矩形，並依次用丙酮、酒精和去離子水漂洗乾淨； (2)在矩形單晶矽基片的表面沉積2個面積相等區域的MgO，並於MgO上依次沉積1-2層金屬電極。
12.根據權利要求11所述一種磁場可控的矽基非易失性阻變器件的製備方法，其特徵在於，所述MgO和金屬電極均由雷射脈衝沉積法在室溫下生長。
【文檔編號】H01L45/00GK103887429SQ201410042167
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年1月28日 優先權日:2014年1月28日
【發明者】章曉中, 王集敏, 樸紅光, 羅昭初, 熊成悅 申請人:清華大學