全透明阻變存儲器及錫酸鋇在做為透明的具有穩定阻變特性材料方面的應用的製作方法
2023-06-13 07:40:01 1
專利名稱：全透明阻變存儲器及錫酸鋇在做為透明的具有穩定阻變特性材料方面的應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種錫酸鋇在做為透明的具有穩定阻變特性材料方面的應用，同時還涉及ー種全透明阻變存儲器，屬於半導體非揮發性存儲器技術領域。
背景技術：
目前，部分器件尺寸小於lOOnm，導致半導體エ業面臨技術和基本理論的雙重挑戰。電子器件的微型化發展成為中心議題載入了國際半導體技術藍圖中。為了克服基於電荷存儲的傳統半導體存儲器件的限制，各種新型的非易失性存儲器件應運而生，其中包括相變存儲器、聚合體存儲器、磁存儲器和電阻存儲器。在這些新型存儲器中，阻變存儲器(Resistive random access memory,RRAM)以其優良性能受到越來越多的關注，被認為是下一代「通用」存儲器的強有力候選者之一。 阻變式存儲器(RRAM単元)是以材料的電阻在外加電場作用下可在高阻態和低阻態之間實現可逆轉換為基礎的ー類前瞻性下一代非揮發存儲器，其具有低操作電壓、低功耗、高寫入速度、耐擦寫、非破壞性讀取、保持時間長、結構簡單、與傳統CMOSエ藝相兼容等優點。室溫下具有電阻開關性能的材料更是受到研究人員的青睞。在眾多的絕緣材料如ニ元氧化物、複雜鈣鈦礦結構氧化物、硫化物以及有機材料中紛紛發現這種新奇的電阻開
關效應。為了掲示這種奇特效應真正的動力學原因，迄今已經取得多方面的研究成果。然而，至今還沒有哪ー個理論模型能夠對此現象作一個清析而完整的解釋，理論分析還相當欠缺，仍然有大量的研究空間存在。研究表明，鈣鈦礦氧化物具有相當豐富的電學、磁學和光學性能，在眾多鈣鈦礦氧化物中已經發現了鐵電體、反鐵電體、壓電體、熱釋電體、鐵磁體、反鐵磁體等。鈣鈦礦氧化物已經成為現代科學研究和エ業技術領域中的重要功能材料。近年來的實驗研究表明，鈣鈦礦結構氧化物由於室溫下電脈衝誘導的電阻值變化轉變速度快、可逆、非易失，並且薄膜尺寸可以做的相當小，滿足新一代高密度、高速度和低能耗存儲器件的要求，從而引起了人們的極大興趣。從大量的研究結果中可知導電基底的選取對器件的影響至關重要，近年來，透明導電膜優異的光電性能使其在電子信息產業領域中得到廣泛應用，如平板顯示器、太陽能電池、透明電磁波屏蔽材料、現代戰機和巡航飛彈的窗ロ、汽車窗導熱玻璃(以防霧和防結冰)等。透明阻變存儲器具有非常多的優點。第一，透明阻變存儲器可作為未來全透明電子器件的存儲單元；第二，透明阻變存儲元件可與觸控螢幕、顯示屏集成，實現觸控、顯示、存儲一體化，可為下一代手寫電腦、手繪板提供全新的概念。在現有技術中，單晶矽襯底、絕緣體矽襯底、Pt/Ti/Si02/Si襯底等已經被選作存儲器襯底。由於襯底的不透明性使得所獲得的存儲器不透明，另外，即使有些所選的襯底材料選作透明導電玻璃、透明導電石英或軟透明導電塑料，然而，功能層材料的不透明使得所製備的存儲元件不具備透明特性，這樣，極大地限制了透明阻變存儲器的應用空間。
發明內容
本發明的目的在於提供ー種錫酸鋇在做為透明的具有穩定阻變特性材料方面的應用。同時，本發明的目的還在於提供了ー種透明且具有穩定阻變特性的全透明阻變存儲器。為了實現上述目的，本發明的技術方案採用了 ー種錫酸鋇在做為透明的具有穩定阻變特性材料方面的應用。
所述的錫酸鋇的光學帶隙為3. 4eV，材料層在可見光區的透射率接近87%。本發明的技術方案還採用了一種全透明阻變存儲器，包括下電極及下電極表面的阻變存儲層，以及沉積於所述阻變存儲層上的上電極；所述的上電極和下電極為氧化銦錫(ITO)導電薄膜或氟摻雜氧化銦(FTO)透明導電薄膜；所述的阻變存儲層為由錫酸鋇(BaSnO3)薄膜。其中，下電極是選用商用(日本板硝子株式會社)的FTO導電玻璃。透過率大於90%，方塊電阻為14 Ω /m2,其中玻璃厚度為2. 2mm, FTO薄膜厚度為350nm。所述的錫酸鋇BaSnO3薄膜是透明的。所述絕緣襯底和上電極都是透明的，由FTO導電玻璃組成。所述上電極是透明的，且由導電氧化物——氧化銦錫ITO組成。所述上電極厚度為30nm，阻變存儲層厚度為300nm和下電極厚度為350nm導電材料。採用本發明的技術方案的全透明阻變存儲器具有以下優點透光性好本發明提供的阻變存儲器下電極、功能層材料以及上電極均選擇透過性能高的材料，因此最終獲得的存儲器在可見光區光學透過率高達87%。存儲密度高存儲密度是表徵存儲器性能的重要指標之一，存儲密度越高，代表器件在微型化方面越有優勢，由於器件存儲單元達到納米量級，因此該存儲器具有高的存儲密度。保持性好不管從存儲的可靠性考慮還是從非揮發性存儲的一般要求而言，保持特性都是ー個非常重要的衡量參數，主要表現在阻變材料阻值的穩定性問題和阻值隨時間可能的飄移，如果沒有漂移則為理想化的存儲特性；保持持性表明器件具有非常好的穩定性。同時還具備優良的抗疲勞特性。
圖I為本發明透明阻變存儲器光學透過率圖；圖2為本發明全透明阻變存儲器的結構及電學測試示意圖；圖3為本發明全透明阻變存儲器的電阻變化與開關特性圖；圖4為本發明全透明阻變存儲器的時間變化與電阻保持特性關係圖；圖5為本發明全透明阻變存儲器的循環次數與電阻保持特性關係圖。
具體實施方式
本實施例的全透明阻變存儲器，包括下電極I及下電極I表面的阻變存儲層2，以及沉積於所述阻變存儲層2上的上電極3 ;所述的上電極3和下電極I為氧化銦錫(ITO)導電薄膜；所述的阻變存儲層為由錫酸鋇(BaSnO3)薄膜。所述的上電極3和下電極I也可以為氟摻雜氧化銦(FTO)透明導電薄膜。全透明阻變存儲器的製作方法如下首先提供透明絕緣襯底；在該絕緣襯底上獲得透明下電極；在該下電極上製備透明功能性阻變存儲層，然後在透明功能性阻變存儲層製備透明上電極。所述的上電極材料為商用In203/Sn02(9:l)陶瓷靶材。異質結IT0/BaSn03薄膜的製備採用脈衝雷射沉積技木，實驗脈衝激 光沉積系統(PLD)中的雷射器是美國相干公司的Compex Pro201型波長為248nm的KrF準分子脈衝雷射器，PLD是中科院瀋陽科儀中心的PLD-450型的沉積系統。全透明阻變存儲器的功能性阻變存儲層材料以高純BaCO3和SnO2作為原材料，分別在900°C和1150°C燒結24小時獲得陶瓷靶材；採用方塊電阻隨溫度變化較小的F摻雜的氧化錫導電玻璃(FTO)作為下電極，分別經過丙酮、酒精超聲清洗30分鐘作為基底。沉積室中調節靶基距為80mm，沉積室真空預抽達到2. 5 X 10_4Pa，將基底溫度調節到700°C，薄膜製備中單脈衝雷射能量約300mJ，脈衝寬度25ns，重複頻率為5Hz。在薄膜沉積過程中，樣品室的氧分壓保持在10Pa，使得雷射濺射靶材產生的等離子羽輝瞬間氣化並與靶材的成分一致，噴發出的物質在FTO基片上沉積成薄膜，沉積20分鐘後關閉雷射器，自然降溫至室溫。用掩模方法在沉積了 BaSnO3薄膜的樣品上加載ー層掩模板,鍍上直徑200 μ m的圓形ITO電極。選用商用ITO陶瓷靶材，其中In203/Sn02(9:l)。沉積室真空預抽達到1.5X10_4Pa，將基底溫度調節到130°C，薄膜製備中單脈衝雷射能量約300mJ，脈衝寬度25ns，重複頻率為5Hz。在薄膜沉積過程中，樣品室的氧分壓保持在O. 5Pa，沉積10分鐘後關閉雷射器，自然降溫至室溫，即獲得圖2中所示的三明治結構的全透明阻變存儲器。其光學透過率通過美國Varian公司Cary-5000型紫外-可見-近紅外分光光度計測試其平均值約為87%。電阻開關性能測試則選擇上海晨華的CHI660B的電化學工作站進行測試。電阻開關特性的測試示意圖如圖2所示。所有的測試均在室溫下採用三電極測試手段，導電玻璃作為參比電極和對電極，金電極作為工作電極。獲得的測試結果通過與儀器連接的計算機獲得。圖3顯示了異質結室溫下的電阻開關特性。掃描測試中所給的外電壓沿著O —vmax —O —-vmax —O的方向進行，其中正偏置電壓定義為從ITO電極流入，從F = SnO2電極流出。從圖中可以看出，室溫下採用O. 3V/s的掃描速率，O. OOlV的測試間隔，其電流電壓曲線呈現非線性特徵，正偏置電壓和負偏置電壓下的電流電壓並不對稱，並且，在正負電壓區域出現明顯的回線特徵，這是異質結具有阻變的鮮明特徵，也就是說該體系具有雙極性電脈衝誘導阻變效應。隨著電壓掃描發現存在兩個明顯而穩定的電阻態，50次循環電場掃描透明阻變存儲器顯示出非常高的穩定性。為了估價在非易失性存儲方面潛在的應用，我們進行了抗疲勞特性和保持特性的測試。圖4給出了體系的保持特性的測試圖，經過2 X IO4秒，在-4. 5V/ls和4. 5V/ls電壓脈衝的激勵下，三明治結構的體系在高低阻值之間跳變，兩個電阻態幾乎沒變化。圖5表示透明阻變存儲器的抗疲勞特性測試結果，從圖中可以看到，在不同的電壓脈衝±3V/0. 002s,±3. 5V/0. 002s和±4V/0. 002s的激勵下，體系的多個電阻態在10000次的測試中保持了非常高的穩定性，各個電阻態沒有觀測到明顯的漲落，表明了器件良好的的抗老化特性。±3、3. 5、4V的電壓激勵下，分別獲得13000，11000和8320%的電阻變化率(高阻/低阻)，這裡的 多個電阻態可以被定義為0、1、2態，這種電阻開關特性可用於多級存儲，可提高器件的存
儲密度。
權利要求
1.錫酸鋇在做為透明的具有穩定阻變特性材料方面的應用。
2.根據權利要求I所述的應用，其特徵在於所述的錫酸鋇的光學帶隙為3.4eV，材料層在可見光區透過率接近87%。
3.—種全透明阻變存儲器，其特徵在於包括下電極及下電極表面的阻變存儲層，以及沉積於所述阻變存儲層上的上電極；所述的上電極和下電極為氧化銦錫(ITO)導電薄膜或氟摻雜氧化銦(FTO)透明導電薄膜；所述的阻變存儲層為由錫酸鋇(BaSnO3)薄膜。
4.根據權利要求3所述的全透明阻變存儲器，其特徵在於所述的錫酸鋇BaSnO3薄膜是透明的。
5.根據權利要求3所述的全透明阻變存儲器，其特徵在於所述絕緣襯底和下電極都是透明的，由FTO導電玻璃組成。
6.根據權利要求3所述的全透明阻變存儲器，其特徵在於所述上電極是透明的，且由導電氧化物——氧化銦錫ITO組成。
7.根據權利要求3所述的全透明阻變存儲器，其特徵在於所述上電極厚度為30nm，阻變存儲層厚度為300nm和下電極厚度為350nm導電材料。
全文摘要
本發明公開了一種全透明阻變存儲器及錫酸鋇在做為透明的具有穩定阻變特性材料方面的應用，屬於半導體非揮發性存儲器技術領域。本發明的阻變材料為寬禁帶半導體透明氧化物錫酸鋇(BaSnO3)薄膜,所述阻變存儲器由下電極、設於所述下電極上的阻變存儲層和沉積於所述阻變存儲層上的上電極組成；所述上電極和下電極為氧化銦錫透明導電薄膜、氟摻雜氧化銦透明導電薄膜；所述阻變存儲層為錫酸鋇(BaSnO3)薄膜。本發明提供的透明有機阻變存儲器具有透光性好、存儲密度高和穩定性好等優點，具有廣闊的應用前景。
文檔編號H01L45/00GK102709472SQ201210155959
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月18日 優先權日2012年5月18日
發明者孫健, 張偉風, 張婷, 馬文海, 魏凌 申請人:河南大學