CN100593214C - 钙钛矿类氧化物薄膜复合器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一系列钙钛矿类氧化物薄膜复合器件，是在任意一种现有的衬底上，利用常规的薄膜制备方法和相应的微加工工艺制备而成。其核心结构均包括：一钙钛矿类氧化物层，所述的钙钛矿类氧化物为R_E1-xT_MxMnO₃型氧化物，其中，R_E为La或/和Pr、Nd、或Y；T_M为Sr或Ca；0＜x＜1.0。这些复合器件充分利用了钙钛矿类氧化物材料特有的电流/电压诱导的电阻效应，使得本发明提供的钙钛矿类氧化物薄膜复合器件的性能优良，在室温和一定的外加电流或电压作用下，可以呈现出很大的电阻相对变化量。完全符合室温下各种传感器、自旋阀开关、随机存取存储器存储单元和其它自旋电子学器件应用的需要，在实际中有广阔的应用前景。

Description

钙钛矿类氧化物薄膜复合器件

技术领域

本发明涉及一系列钙钛矿类氧化物薄膜复合器件，具体地说是涉及一系列室温下和低磁场下可以实现电流/电压诱导电阻效应的钙钛矿类氧化物薄膜复合器件。

背景技术

钙钛矿类氧化物的化学式为R_E1-xT_MXMnO₃，其中R_E为稀土元素，T_M为二价碱土金属。自从1993年人们在钙钛矿类氧化物La_2/3Ba_1/3MnO₃单层薄膜中观察到了庞磁电阻(Colossal Magnetoresistance，CMR)效应以来，人们对一系列钙钛矿类氧化物单层膜和复合多层膜进行了广泛而系统的研究。发现这类钙钛矿类氧化物具有丰富多样的凝聚态物理特性，如铁磁性、反铁磁性、顺磁性、绝缘体、金属性质等，以及其呈现的庞磁电阻效应和半金属特性等。另外，随着电流/电压诱导(Current/Voltage induced/driven)检测模式如磁场诱导检测模式一样应用于研究的日臻完善，人们对钙钛矿类氧化物的探索到了一个前所未有的深度和广度。因此，深入和系统研究钙钛矿类氧化物，设计有人工结构的功能型材料器件，能为开发各种传感器、自旋阀开关、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)存储单元和其它自旋电子学器件奠定坚实的物理基础和广阔的应用前景。

然而，虽然钙钛矿类氧化物薄膜的电阻对电流或电压变化表现得非常敏感，但是现有技术无论是以磁场诱导检测模式导致的磁电阻效应(magnetoresistance effect)，还是以电流/电压诱导检测模式所引起的电阻效应(electroresistive effect)，而设计的器件仅仅适合较大的磁场和低温，因而不易满足于常规器件应用的需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的钙钛矿类氧化物器件在实际应用中只适合较大的磁场和低温的缺陷，从而提供一系列在室温和低磁场下可以实现电流/电压诱导电阻效应的钙钛矿类氧化物薄膜复合器件。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明提供的第一种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件，如图1(1)所示，其核心结构包括：一衬底5，其上沉积了厚为0.5～2000nm的钙钛矿类氧化物层4，其中间部分作为柱状结区，两端作为底电极1，即引线引出端。

所述的衬底包括：SrTiO₃、SiO₂、Si、NdGaO₃、LaAlO₃或MgO等基片；

所述柱状结区的截面形状可以根据实际需要而有所改变，可以是长方形、正方形、圆形、椭圆形等；

所述的钙钛矿类氧化物为R_E1-xT_MxMnO₃型氧化物，其中，R_E包括：La或/和Pr、Nd、或Y；T_M为Sr或Ca；0＜x＜1.0。

本发明提供的第二种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件，如图1(2)所示，其核心结构包括：一衬底5，其上依次生长了底电极1，柱状结区，顶电极2；及位于底电极1和顶电极2之间、柱状结区外的绝缘体层3，底电极1和顶电极2均呈条状并且其间有一定的夹角以便于引线，所述的柱状结区是钙钛矿类氧化物层4。

所述的钙钛矿类氧化物为R_E1-xT_MxMnO₃型氧化物，其中，R_E包括：La或/和Pr、Nd、或Y；T_M为Sr或Ca；0＜x＜1.0。

所述的衬底包括：SrTiO₃、SiO₂、Si、NdGaO₃、LaAlO₃或MgO等基片；

所述的柱状结区的截面形状可以为圆形、椭圆形、正方形或长方形，高度为0.5～2000nm；

所述的底电极1和顶电极2为普通金属层，如Au、Pt、Cu、Ta、Ru、或Al；

所述的绝缘体层3为普通绝缘体材料层，如SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃、MgO、SrTiO₃、NdGaO₃或LaAlO₃等。

本发明提供的第三种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件，如图1(3)所示，其核心结构与第二种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件相似，特点在于所述的底电极1也为钙钛矿类氧化物。

本发明提供的第四种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件，如图1(4)所示，其核心结构与第二种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件相似，特点在于所述的柱状结区还包括在钙钛矿类氧化物层4上的普通金属层6和铁磁性金属层7。

所述的普通金属层6为Au、Pt、Cu、Ta、Ru、或Al；

所述的铁磁性金属层7为Fe、Co、Ni及其合金，或Co-Fe-B合金。

本发明提供的第五种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件，如图1(5)所示，其核心结构与第四种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件相似，特点在于所述的底电极1也为钙钛矿类氧化物。

本发明提供的第六种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件，如图1(6)所示，其核心结构与第二种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件相似，特点在于所述的柱状结区还包括在钙钛矿类氧化物层4上的普通金属层6和绝缘体层8。

所述的普通金属层6为Au、Pt、Cu、Ta、Ru、或Al；

所述的绝缘体层8为SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃、MgO、SrTiO₃、NdGaO₃或LaAlO₃等。

本发明提供的第七种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件，如图1(7)所示，其核心结构与第六种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件相似，特点在于所述的底电极1也为钙钛矿类氧化物。

本发明提供的具有N×N结区阵列的钙钛矿类氧化物薄膜复合器件，N为任意正整数，其中每个单结均可为上述七种结构中的任一单结。

本发明提供的七种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件是在任意一种现有的衬底上，利用常规的薄膜制备方法和相应的微加工工艺制备而成。所述的薄膜制备方法可以为磁控溅射、分子束外延(MBE)、激光分子束外延(Laser-MBE)、电子束蒸发、脉冲激光沉积(PLD)、金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)等。所述的微加工工艺可以为光刻法、金属掩膜法、离子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀和化学反应刻蚀等。

本发明提供的七种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件在一定的外加电流下电阻相对变化量ΔR/R＝(R₀-R)/R＞20％，其中R₀为没有外加电流或电压时的电阻，R为所加一定量的电流或电压时对应的电阻，这种性能不仅能够满足于实际器件应用所要求的电阻效应的相对变化量，而且在室温下这种电阻效应非常明显。例如，以本发明实施例7由钙钛矿类氧化物单层薄膜La_0.9Sr_0.1MnO₃(100nm)制备的复合器件中的单结在300K和4.5mA时观测到了高达226.5％的电阻相对变化量，第一次从材料的器件应用层次上证明了该类电流/电压诱导的单层钙钛矿类氧化物薄膜复合器件完全满足器件实用化的需要。

与现有技术水平相比，本发明提供的七种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件的优异之处在于：充分利用了钙钛矿类氧化物材料特有的电流/电压诱导的电阻效应，使得本发明提供的钙钛矿类氧化物薄膜复合器件的性能优良，在室温和一定的外加电流或电压作用下，可以呈现出很大的电阻相对变化量。另外，还可以根据器件的实际需要，在电流或电压诱导模式下选择连续形式或脉冲形式的电流或电压对器件进行扫描，从而可以得到连续变化的或脉冲形式的电阻效应，以实现所谓的“0”或“1”不同状态的转变。并且，由于单层钙钛矿类氧化物薄膜本身所具有的优良的均匀性和均一性，我们可以制备出成品率达100％的结区阵列(N×N，N为任意整数)。因而可以完全符合室温下各种传感器、自旋阀开关、随机存取存储器存储单元和其它自旋电子学器件应用的需要。

将本发明提供的这几种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件再加上一个外围电路，就可以真正构成一个完整的器件，而这种完整的器件是在实际中有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的七种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件的结构示意图；(1)-(7)为7种结构的单个结区的立体图A和剖面示意图B，(8)为具有N×N(N为任意整数)结区阵列的示意图(图中虚线阵列对应的i的范围是1＜i＜N)；

其中，1底电极，2顶电极，3绝缘体层，4钙钛矿类氧化物层，5衬底，6普通金属层，7铁磁性金属层，8绝缘体层；

图2是实施例7制备的La_0.9Sr_0.1MnO₃薄膜复合器件的单结在电流诱导模式下以连续形式进行扫描得到电阻效应(R-I曲线)及其电阻相对变化量(ΔR/R-I曲线)曲线图(1)和以脉冲形式进行扫描得到的电阻效应(R-I曲线)(2)；

图3是由实施例19制备的La_0.9Sr_0.1MnO₃薄膜复合器件的单结在电流诱导模式下以连续形式进行扫描得到电阻效应(R-I曲线)及其电阻相对变化量(ΔR/R-I曲线)曲线图。

具体实施方式

实施例1、第一种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件I-1的制备

本发明提供的第一种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件I-1，其核心结构如图1(1)所示，包括：一 MgO基片衬底5，其上沉积了厚为2000nm的钙钛矿类氧化物La_0.1Ca_0.9MnO₃薄膜层4，其中薄膜层中间部分是柱状结区，两端为底电极1即引线引出端。

这种复合器件是通过如下工艺实现的：选择一MgO基片作为衬底，利用分子束外延方法沉积2000nm厚的钙钛矿类氧化物单层薄膜La_0.1Ca_0.9MnO₃，然后利用深紫外曝光刻蚀成条形状，其两端作为引线引出端，即底电极(0.5×0.5mm²)，中间部分0.2×2mm²是器件核心部分，即柱状结区4；去除样品表面的光刻胶后得到制备成品，即得到第一种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件I-1。

该复合器件由于设计结构简单，柱状结区面积为0.2×2mm²，相对较大；而且柱状结区的截面形状可以根据实际需要而有所改变，可以是长方形、正方形、圆形、椭圆形等；另外，其截面面积也可以根据实际需要而有所改变。该复合器件的耐电压/电流的能力非常强，可耐几十伏特甚至更高的电压，有非常明显的电阻效应。另外，该复合器件再加上一个外围电路，就可以真正构成一个完整的器件，可在实际中有广阔的应用前景。

实施例2、第一种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件I-2的制备

按实施例1中的方法，用100nm的La_0.5Ca_0.5MnO₃代替2000nm的La_0.1Ca_0.9MnO₃。

实施例3、第一种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件I-3的制备

按实施例1中的方法，用1nm的La_0.9Ca_0.1MnO₃代替2000nm的La_0.1Ca_0.9MnO₃。

实施例4、第二种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件II-1的制备

本发明提供的第二种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件II-1，其核心结构如图1(2)所示，包括：一Si基片衬底5，其上依次生长了100nm厚的Ru作为底电极1，2nm厚的钙钛矿类氧化物单层薄膜Pr_0.1Ca_0.9MnO₃作为柱状结区4，其截面形状为椭圆形，椭圆面积为π×2×4μm²；200nm厚的Cu作为顶电极2；及位于底电极1和顶电极2之间、柱状结区外的2nm厚的SiO₂作为绝缘体层3，底电极1和顶电极2均呈条状且其间的夹角为90度以便于引线。

这种复合器件是通过如下工艺实现的：选择Si基片作为衬底，利用磁控溅射方法沉积100nm厚的的Ru作为底电极，紧接着沉积2nm厚的钙钛矿类氧化物单层薄膜Pr_0.1Ca_0.9MnO₃。然后利用深紫外曝光并刻蚀出条形状的底电极，两端是引线引出端；去除样品表面的光刻胶后即曝光刻蚀出2nm高的Pr_0.1Ca_0.9MnO₃柱状结区；随后利用磁控溅射方法沉积与柱状结区基本同样高度的，即2nm厚的SiO₂作为绝缘体层，以便于和顶电极隔离；去除柱状结区以及底电极上的光刻胶和SiO₂后，再次利用磁控溅射方法沉积200nm厚的的Cu并曝光刻蚀后作为顶电极，两端是引线引出端；去除样品表面光刻胶后即得到制备成品，即得到第二种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件II-1。

该复合器件设计再加上一个外围电路，就可以真正构成一个完整的器件，可在实际中有广阔的应用前景。

所述的柱状结区的截面形状可以根据实际需要而改变的，其可以为椭圆形、圆形、正方形或长方形等；其截面面积和高度也可以根据实际需要而有所改变。

实施例5、第二种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件II-2的制备

按实施例4中的方法，用200nm的Pr_0.7Ca_0.3MnO₃代替2nm的Pr_0.1Ca_0.9MnO₃，其它同实施例4，只是刻蚀出的柱状结区高度为200nm。

实施例6、第二种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件II-3的制备

按实施例4中的方法，用1800nm的Pr_0.9Ca_0.1MnO₃代替2nm的Pr_0.1Ca_0.9MnO₃，刻蚀出的柱状结区高度为1800nm。

实施例7、第三种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件III-1的制备

本发明提供的第三种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件III-1，其核心结构如图1(3)所示，包括：一SrTiO₃基片衬底5，其上依次生长了100nm厚的钙钛矿类氧化物单层薄膜Pr_0.1Ca_0.9MnO₃作为底电极1和柱状结区4，高度为60nm，其柱状结区的截面为椭圆形，椭圆面积为π×3×6μm²；200nm厚的Pt作为顶电极2；及位于底电极1和顶电极2之间、柱状结区4外的60nm厚的Si₃N₄作为绝缘体层3，底电极1和顶电极2均呈条状且其间的夹角为80度以便于引线。

这种复合器件是通过如下工艺实现的：选择SrTiO₃基片作为衬底，利用激光分子束外延方法沉积100nm厚的钙钛矿类氧化物单层薄膜La_0.9Sr_0.1MnO₃。随后利用深紫外曝光光刻和Ar离子束刻蚀等常规微加工工艺技术制备出第三种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件III-1。其器件的制备工艺流程同实施例4。

该复合器件设计再加上一个外围电路，就可以真正构成一个完整的器件，可在实际中有广阔的应用前景。

所述的柱状结区的高度也可以根据实际需要而有所改变。另外，位于底电极和顶电极之间、柱状结区外的绝缘体层的厚度是随着柱状结区的高度改变而要相应改变的。

我们利用现有的常规微加工工艺技术制备的钙钛矿类氧化物La_1-xSr_xMnO₃(其中x＝0.1)薄膜复合器件，其中单一柱状结区在300K和4.5mA的电流诱导下电阻相对变化量高达226.5％。本实施例中制备的室温下钙钛矿类氧化物薄膜复合器件设计中单个结区(单结)在电流诱导模式下以连续形式或脉冲形式对结区进行扫描得到电阻效应(R-I曲线)及其电阻相对变化量(ΔR/R-I曲线)分别见图2(1)和(2)，其中脉冲形式的电阻效应是根据电流的极小变化测量获得的。

实施例8、第三种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件III-2的制备

按实施例7中的方法，用10nm的La_0.8Sr_0.2MnO₃代替100nm的La_0.9Sr_0.1MnO₃，刻蚀出的柱状结区高度为5nm。

实施例9、第三种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件III-3的制备

按实施例7中的方法，用1800nm的La_0.1Sr_0.9MnO₃代替100nm的La_0.9Sr_0.1MnO₃，刻蚀出的柱状结区高度为1200nm。

实施例10、第四种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件IV-1的制备

本发明提供的第四种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件IV-1，其核心结构如图1(4)所示，包括：一SiO₂基片衬底5，其上依次生长了300nm厚的Ta作为底电极1、5nm厚的钙钛矿类氧化物单层薄膜4-Pr_0.95Sr_0.05MnO₃、1nm的Cu(普通金属层6)和3nm的Co(铁磁性金属层7)作为柱状结区，其柱状结区的截面形状为圆形，圆面积为π×4×4μm²；350nm厚的Al作为顶电极2；及位于底电极1和顶电极2之间、柱状结区外的9nm厚的SrTiO₃作为绝缘体层3，底电极1和顶电极2均呈条状且其间的夹角为50度以便于引线。

这种复合器件是通过如下工艺实现的：选择SiO₂基片作为衬底，利用电子束蒸发方法沉积300nm厚的Ta作为底电极，紧接着利用激光分子束外延方法沉积5nm厚的钙钛矿类氧化物单层薄膜Pr_0.95Sr_0.05MnO₃，最后利用磁控溅射方法沉积1nm的Cu和3nm的Co。随后利用深紫外曝光光刻和Ar离子束刻蚀等常规微加工工艺技术制备出第四种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件IV-1。其器件的制备工艺流程同实施例4。

该复合器件设计再加上一个外围电路，就可以真正构成一个完整的器件，可在实际中有广阔的应用前景。

所述的柱状结区高度也可以根据实际需要而有所改变，如Cu的厚度可以在0.5～5nm范围和Co的厚度可以在1～10nm范围。另外，位于底电极和顶电极之间、柱状结区外的绝缘体层的厚度是随着柱状结区的高度改变而要相应改变的。

实施例11、第四种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件IV-2的制备

按实施例10中的方法，用80m的Pr_0.7Sr_0.3MnO₃代替5nm的Pr_0.95Sr_0.05MnO₃，用Ni代替Co，刻蚀出的柱状结区的高度为84nm。

实施例12、第四种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件IV-3的制备

按实施例10中的方法，用2000nm的Pr_0.1Sr_0.9MnO₃代替5nm的Pr_0.95Sr_0.05MnO₃，用Co-Fe合金代替Co，刻蚀出的柱状结区的高度为2004nm。

实施例13、第五种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件V-1的制备

本发明提供的第五种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件IV-1，其核心结构如图1(5)所示，包括：一LaAlO₃基片衬底5，其上依次生长了300nm厚的钙钛矿类氧化物单层薄膜4-La_0.49Pr_0.21Ca_0.3MnO₃、1.3nm的Al(普通金属层6)和5nm的Fe(铁磁性金属层7)作为柱状结区，高度为200nm，其柱状结区截面形状为长方形，长方形面积为6×12μm²；400nm厚的Au作为顶电极2；及位于底电极1和顶电极2之间、柱状结区外的306.3nm厚的MgO作为绝缘体层3，底电极1和顶电极2均呈条状且其间的夹角为70度以便于引线。

这种复合器件是通过如下工艺实现的：选择LaAlO₃基片作为衬底，利用脉冲激光沉积方法沉积300nm厚的钙钛矿类氧化物单层薄膜La_0.49Pr_0.21Ca_0.3MnO₃，然后利用磁控溅射方法沉积1.3nm的Al和5nm的Fe。随后利用深紫外曝光光刻和Ar离子束刻蚀等常规微加工工艺技术制备出第五种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件V-1。其器件的制备工艺流程同实施例4。

所述的柱状结区高度也可以根据实际需要而有所改变，如Al的厚度可以在0.5～5nm范围，Fe的厚度可以在1～10nm范围。另外，位于底电极和顶电极之间、柱状结区外的绝缘体层的厚度是随着柱状结区的高度改变而要相应改变的。

该复合器件设计再加上一个外围电路，就可以真正构成一个完整的器件，可在实际中有广阔的应用前景。

实施例14、第五种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件V-2的制备

按实施例13中的方法，用2000nm的La_0.09Pr_0.81Ca_0.1MnO₃代替300nm的La_0.49Pr_0.21Ca_0.3MnO₃，用Ni-Fe合金代替Fe，刻蚀出的柱状结区的高度为2006.3nm。

实施例15、第五种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件V-3的制备

按实施例13中的方法，用3nm的La_0.81Pr_0.01Ca_0.9MnO₃代替300nm的La_0.49Pr_0.21Ca_0.3MnO₃，用CoFeB代替Fe，刻蚀出的柱状结区的高度为9.3nm。

实施例16、第六种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件VI-1的制备

本发明提供的第六种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件VI-1，其核心结构如图1(6)所示，包括：一NdGaO₃基片衬底5，其上依次生长了200nm厚的Au作为底电极1、1nm厚的钙钛矿类氧化物单层薄膜4-Pr_0.95Sr_0.05MnO₃、1.5nm的Cu(普通金属层6)和0.9nm的Al₂O₃(绝缘体层8)作为柱状结区，其柱状结区截面形状为正方形，正方形面积是6×6μm²；250nm厚的Ru作为顶电极2；及位于底电极1和顶电极2之间、柱状结区外的3.4nm厚的SrTiO₃作为绝缘体层3，底电极1和顶电极2均呈条状且其间的夹角为60度以便于引线。

这种复合器件是通过如下工艺实现的：选择NdGaO₃基片作为衬底，利用磁控溅射方法沉积200nm厚的Au作为底电极，紧接着利用金属氧化物化学气相沉积沉积1nm厚的钙钛矿类氧化物单层薄膜Nd_0.95Ca_0.05MnO₃，然后再次利用磁控溅射方法沉积1.5nm的Cu和0.9nm的Al₂O₃，其中Al₂O₃作为绝缘体层。随后利用深紫外曝光光刻和Ar离子束刻蚀等常规微加工工艺技术制备出第六种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件VI-1。其器件的制备工艺流程同实施例4。

所述的柱状结区高度也可以根据实际需要而有所改变，如Cu的厚度可以在0.5～5nm范围，Al₂O₃的厚度可以在0.3～4nm范围。另外，位于底电极和顶电极之间、柱状结区外的绝缘体层的厚度是随着柱状结区的高度改变而要相应改变的。

该复合器件设计再加上一个外围电路，就可以真正构成一个完整的器件，可在实际中有广阔的应用前景。

实施例17、第六种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件VI-2的制备

按实施例16中的方法，用300nm的Nd_0.5Ca_0.5MnO₃代替1nm的Nd_0.95Ca_0.05MnO₃，刻蚀出的柱状结区的高度为302.4nm。

实施例18、第六种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件VI-3的制备

按实施例16中的方法，用2000nm的Nd_0.1Ca_0.9MnO₃代替1nm的Nd_0.95Ca_0.05MnO₃，刻蚀出的柱状结区的高度为2002.4nm。

实施例19、第七种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件VII-1的制备

本发明提供的第七种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件VII-1，其核心结构如图1(7)所示，包括：一SrTiO₃基片衬底5，其上依次生长了100nm厚的钙钛矿类氧化物单层薄膜4-La_0.9Sr_0.1MnO₃、1.3nm的Al(普通金属层6)和0.5nm的MgO(绝缘体层8)作为柱状结区，其柱状结区截面形状为椭圆形，椭圆面积为π×3×6μm²；300nm厚的Pt作为顶电极2；及位于底电极1和顶电极2之间、柱状结区外的101.8nm厚的SiO₂作为绝缘体层3，底电极1和顶电极2均呈条状且其间的夹角为45度以便于引线。

这种复合器件是通过如下工艺实现的：选择SrTiO₃基片作为衬底，利用激光分子束外延方法沉积100nm厚的钙钛矿类氧化物单层薄膜La_0.9Sr_0.1MnO₃，紧接着利用磁控溅射方法沉积1.3nm的Al和0.5nm的MgO，其中MgO作为绝缘体层。随后利用深紫外曝光光刻和Ar离子束刻蚀等常规微加工工艺技术制备出第七种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件VII-1。其器件的制备工艺流程同实施例4。

所述的柱状结区高度也可以根据实际需要而有所改变，如Al的厚度可以在0.5～5nm范围，MgO的厚度可以在0.3～5nm范围。另外，位于底电极和顶电极之间、柱状结区外的绝缘体层的厚度是随着柱状结区的高度改变而要相应改变的。

该复合器件设计再加上一个外围电路，就可以真正构成一个完整的器件，可在实际中有广阔的应用前景。

我们利用现有的常规微加工工艺技术制备的钙钛矿类氧化物La_0.9Sr_0.1MnO₃薄膜复合器件，其中单一柱状结区在300K和10mA的电流诱导下电阻相对变化量高达354.5％。本实施例中制备的室温下钙钛矿类氧化物单层薄膜复合器件设计中单结在电流诱导模式下以连续形式或脉冲形式对结区进行扫描得到电阻效应(R-I曲线)及其电阻相对变化量(ΔR/R-I曲线)见图3，其中Al和MgO的厚度分别为1.3nm和1.5nm。

实施例20、第七种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件VII-2的制备

按实施例19中的方法，用300nm的Nd_0.5Sr_0.5MnO₃代替100nm的La_0.9Sr_0.1MnO₃，刻蚀出的柱状结区高度为301.8nm。

实施例21、第七种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件VII-3的制备

按实施例19中的方法，用2000nm的Nd_0.05Sr_0.95MnO₃代替100nm的La_0.9Sr_0.1MnO₃，刻蚀出的柱状结区高度可以为1501.8nm。

实施例22、第七种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件VII-4的制备

按实施例19中的方法，用5nm的Nd_0.9Sr_0.1MnO₃代替100nm的La_0.9Sr_0.1MnO₃，刻蚀出的柱状结区高度为6.8nm。

实施例23、具有N×N结区阵列的钙钛矿类氧化物薄膜复合器件的制备

按照实施例4的工艺流程，在NdGaO₃基片衬底上，制备具有N×N结区阵列的钙钛矿类氧化物薄膜复合器件，其示意图如图1(8)所示，N为任意整数，所用的钙钛矿类氧化物为2000nm的Y_0.05Ca_0.95MnO₃。该复合器件设计再加上一个外围电路，就可以真正构成一个完整的器件，可在实际中有广阔的应用前景。

由于钙钛矿类氧化物薄膜本身所具有优良的均匀度和均一性，可以制备出成品率达100％的结区阵列N×N，并且可以保证N×N结区阵列中任一柱状结区在室温下均有非常好的和可重复的电流或电压诱导的电阻效应，而且结区阵列的电阻相对变化量的均匀性非常好。另外，还可以在电流或电压诱导模式下选择连续形式或脉冲形式的电流或电压对器件进行扫描，从而可以得到连续变化的或脉冲形式的电阻效应，以实现所谓的“0”或“1”不同状态的转变。所有这一切表明钙钛矿类氧化物薄膜复合器件完全符合室温下各种传感器、自旋阀开关、随机存取存储器存储单元和其它自旋电子学器件应用的需要。

实施例24、具有N×N结区阵列的钙钛矿类氧化物薄膜复合器件的制备

按实施例23中的方法，用200nm的Y_0.5Ca_0.5MnO₃代替2000nm的Y_0.05Ca_0.95MnO₃。

实施例25、具有N×N结区阵列的钙钛矿类氧化物薄膜复合器件的制备

按实施例23中的方法，用2nm的Y_0.9Ca_0.1MnO₃代替2000nm的Y_0.05Ca_0.95MnO₃。

本发明提供的钙钛矿类氧化物薄膜复合器件(包括单结和具有N×N结区阵列)在室温下均具有图2、图3中所显示的电流/电压诱导的电阻效应。

Claims (6)

1、一种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件，其核心结构包括一衬底，及在所述衬底上沉积的厚为0.5～2000nm的钙钛矿类氧化物层；其特征在于，所述钙钛矿类氧化物层刻蚀成条形，所述条形两端为引线引出端，钙钛矿类氧化物层的中间部分作为柱状结区；所述的钙钛矿类氧化物为RE_1-xTM_xMnO₃型氧化物，其中，R_E包括：La或/和Pr、Nd、或Y；T_M为Sr或Ca；0＜x＜1.0。

2、如权利要求1所述的钙钛矿类氧化物薄膜复合器件，其特征在于：所述柱状结区的截面形状为长方形、正方形、圆形或椭圆形。

3、一种钙钛矿类氧化物薄膜复合器件，其核心结构包括：一衬底，在所述衬底上依次沉积的底电极、厚为0.5～2000nm的钙钛矿类氧化物层和顶电极；其特征在于：所述底电极为条形，所述钙钛矿类氧化物层刻蚀成截面形状为圆形、椭圆形、正方形或长方形，所述刻蚀成截面形状为圆形、椭圆形、正方形或长方形的钙钛矿类氧化物层作为柱状结区，该柱状结区的高度为0.5～2000nm；在所述柱状结区上沉积顶电极，所述顶电极为条形，并且该顶电极与所述底电极交叉设置成45、50、60、70、80或90度的夹角，所述柱状结区设置在所述顶电极与所述底电极交叉处；在所述底电极和所述顶电极之间、柱状结区外设置一绝缘体层，作成具有单个结区的钙钛矿类氧化物薄膜复合器件；

所述的底电极和顶电极为Au、Pt、Cu、Ta、Ru、或Al金属层；

所述的绝缘体层为SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃、MgO、SrTiO₃、NdGaO₃或LaAlO₃绝缘体材料层；

所述的柱状结区是钙钛矿类氧化物层；所述的钙钛矿类氧化物为R_E1-xT_MxMnO₃型氧化物，其中，R_E包括：La或/和Pr、Nd、或Y；T_M为Sr或Ca；0＜x＜1.0。

4、如权利要求3所述的钙钛矿类氧化物薄膜复合器件，其特征在于：所述的底电极为钙钛矿类氧化物，所述的钙钛矿类氧化物为R_E1-xT_MxMnO₃型氧化物，其中，R_E包括：La或/和Pr、Nd、或Y；T_M为Sr或Ca；0＜x＜1.0。

5、如权利要求3所述的钙钛矿类氧化物薄膜复合器件，其特征在于：还包括在所述的钙钛矿类氧化物的柱状结区上沉积的普通金属层和铁磁性金属层；所述的普通金属层为Au、Pt、Cu、Ta、Ru、或Al；所述的铁磁性金属层为Fe、Co、Ni及其合金，或Co-Fe-B合金。

6、如权利要求3所述的钙钛矿类氧化物薄膜复合器件，其特征在于：还包括在所述的钙钛矿类氧化物的柱状结区上沉积的普通金属层和绝缘体层；所述的普通金属层为Au、Pt、Cu、Ta、Ru、或Al；所述的绝缘体层为SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃、MgO、SrTiO₃、NdGaO₃或LaAlO₃。

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