CN102709472B - 全透明阻变存储器及锡酸钡在做为透明的具有稳定阻变特性材料方面的应用 - Google Patents

全透明阻变存储器及锡酸钡在做为透明的具有稳定阻变特性材料方面的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全透明阻变存储器及锡酸钡在做为透明的具有稳定阻变特性材料方面的应用，属于半导体非挥发性存储器技术领域。本发明的阻变材料为宽禁带半导体透明氧化物锡酸钡（BaSnO3）薄膜,所述阻变存储器由下电极、设于所述下电极上的阻变存储层和沉积于所述阻变存储层上的上电极组成；所述上电极和下电极为氧化铟锡透明导电薄膜、氟掺杂氧化铟透明导电薄膜；所述阻变存储层为锡酸钡（BaSnO3）薄膜。本发明提供的透明有机阻变存储器具有透光性好、存储密度高和稳定性好等优点，具有广阔的应用前景。

Description

全透明阻变存储器及锡酸钡在做为透明的具有稳定阻变特性材料方面的应用
技术领域
本发明涉及一种锡酸钡在做为透明的具有稳定阻变特性材料方面的应用，同时还涉及一种全透明阻变存储器，属于半导体非挥发性存储器技术领域。
背景技术
目前，部分器件尺寸小于100nm，导致半导体工业面临技术和基本理论的双重挑战。电子器件的微型化发展成为中心议题载入了国际半导体技术蓝图中。为了克服基于电荷存储的传统半导体存储器件的限制，各种新型的非易失性存储器件应运而生，其中包括相变存储器、聚合体存储器、磁存储器和电阻存储器。在这些新型存储器中,阻变存储器(Resistive random accessmemory，RRAM)以其优良性能受到越来越多的关注,被认为是下一代“通用”存储器的强有力候选者之一。
阻变式存储器（RRAM单元）是以材料的电阻在外加电场作用下可在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的一类前瞻性下一代非挥发存储器，其具有低操作电压、低功耗、高写入速度、耐擦写、非破坏性读取、保持时间长、结构简单、与传统CMOS工艺相兼容等优点。
室温下具有电阻开关性能的材料更是受到研究人员的青睐。在众多的绝缘材料如二元氧化物、复杂钙钛矿结构氧化物、硫化物以及有机材料中纷纷发现这种新奇的电阻开关效应。
为了揭示这种奇特效应真正的动力学原因，迄今已经取得多方面的研究成果。然而，至今还没有哪一个理论模型能够对此现象作一个清析而完整的解释，理论分析还相当欠缺，仍然有大量的研究空间存在。
研究表明，钙钛矿氧化物具有相当丰富的电学、磁学和光学性能，在众多钙钛矿氧化物中已经发现了铁电体、反铁电体、压电体、热释电体、铁磁体、反铁磁体等。钙钛矿氧化物已经成为现代科学研究和工业技术领域中的重要功能材料。近年来的实验研究表明，钙钛矿结构氧化物由于室温下电脉冲诱导的电阻值变化转变速度快、可逆、非易失，并且薄膜尺寸可以做的相当小，满足新一代高密度、高速度和低能耗存储器件的要求，从而引起了人们的极大兴趣。
从大量的研究结果中可知导电基底的选取对器件的影响至关重要，近年来，透明导电膜优异的光电性能使其在电子信息产业领域中得到广泛应用,如平板显示器、太阳能电池、透明电磁波屏蔽材料、现代战机和巡航导弹的窗口、汽车窗导热玻璃(以防雾和防结冰)等。
透明阻变存储器具有非常多的优点。第一，透明阻变存储器可作为未来全透明电子器件的存储单元；第二，透明阻变存储元件可与触摸屏、显示屏集成，实现触控、显示、存储一体化，可为下一代手写电脑、手绘板提供全新的概念。
在现有技术中，单晶硅衬底、绝缘体硅衬底、Pt/Ti/SiO2/Si衬底等已经被选作存储器衬底。由于衬底的不透明性使得所获得的存储器不透明，另外，即使有些所选的衬底材料选作透明导电玻璃、透明导电石英或软透明导电塑料，然而，功能层材料的不透明使得所制备的存储元件不具备透明特性，这样，极大地限制了透明阻变存储器的应用空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锡酸钡在做为透明的具有稳定阻变特性材料方面的应用。
同时，本发明的目的还在于提供了一种透明且具有稳定阻变特性的全透明阻变存储器。
为了实现上述目的，本发明的技术方案采用了一种锡酸钡在做为透明的具有稳定阻变特性材料方面的应用。
所述的锡酸钡的光学带隙为3.4eV，材料层在可见光区的透射率接近87％。
本发明的技术方案还采用了一种全透明阻变存储器，包括下电极及下电极表面的阻变存储层，以及沉积于所述阻变存储层上的上电极；所述的上电极和下电极为氧化铟锡（ITO）导电薄膜或氟掺杂氧化铟（FTO）透明导电薄膜；所述的阻变存储层为由锡酸钡（BaSnO3）薄膜。其中，下电极是选用商用(日本板硝子株式会社)的FTO导电玻璃。透过率大于90%，方块电阻为14Ω/m2,其中玻璃厚度为2.2mm,FTO薄膜厚度为350nm。
所述的锡酸钡BaSnO3薄膜是透明的。
所述绝缘衬底和上电极都是透明的，由FTO导电玻璃组成。
所述上电极是透明的，且由导电氧化物——氧化铟锡ITO组成。
所述上电极厚度为30nm,阻变存储层厚度为300nm和下电极厚度为350nm导电材料。
采用本发明的技术方案的全透明阻变存储器具有以下优点：透光性好：本发明提供的阻变存储器下电极、功能层材料以及上电极均选择透过性能高的材料，因此最终获得的存储器在可见光区光学透过率高达87%。存储密度高：存储密度是表征存储器性能的重要指标之一，存储密度越高，代表器件在微型化方面越有优势，由于器件存储单元达到纳米量级，因此该存储器具有高的存储密度。保持性好：不管从存储的可靠性考虑还是从非挥发性存储的一般要求而言，保持特性都是一个非常重要的衡量参数，主要表现在阻变材料阻值的稳定性问题和阻值随时间可能的飘移，如果没有漂移则为理想化的存储特性；保持特性表明器件具有非常好的稳定性。同时还具备优良的抗疲劳特性。
附图说明
图1为本发明透明阻变存储器光学透过率图；
图2为本发明全透明阻变存储器的结构及电学测试示意图；
图3为本发明全透明阻变存储器的电阻变化与开关特性图；
图4为本发明全透明阻变存储器的时间变化与电阻保持特性关系图；
图5为本发明全透明阻变存储器的循环次数与电阻保持特性关系图。
具体实施方式
本实施例的全透明阻变存储器，包括下电极1及下电极1表面的阻变存储层2，以及沉积于所述阻变存储层2上的上电极3；所述的上电极3和下电极1为氧化铟锡（ITO）导电薄膜；所述的阻变存储层为由锡酸钡（BaSnO3）薄膜。
所述的上电极3和下电极1也可以为氟掺杂氧化铟（FTO）透明导电薄膜。
全透明阻变存储器的制作方法如下：首先提供透明绝缘衬底；在该绝缘衬底上获得透明下电极；在该下电极上制备透明功能性阻变存储层，然后在透明功能性阻变存储层制备透明上电极。所述的上电极材料为商用In2O3/SnO2(9:1)陶瓷靶材。
异质结ITO/BaSnO3薄膜的制备采用脉冲激光沉积技术，实验脉冲激光沉积系统（PLD）中的激光器是美国相干公司的Compex Pro201型波长为248nm的KrF准分子脉冲激光器，PLD是中科院沈阳科仪中心的PLD-450型的沉积系统。
全透明阻变存储器的功能性阻变存储层材料以高纯BaCO3和SnO2作为原材料，分别在900℃和1150℃烧结24小时获得陶瓷靶材；采用方块电阻随温度变化较小的F掺杂的氧化锡导电玻璃(FTO)作为下电极，分别经过丙酮、酒精超声清洗30分钟作为基底。沉积室中调节靶基距为80mm,沉积室真空预抽达到2.5×10-4Pa，将基底温度调节到700℃，薄膜制备中单脉冲激光能量约300mJ，脉冲宽度25ns，重复频率为5Hz。在薄膜沉积过程中，样品室的氧分压保持在10Pa，使得激光溅射靶材产生的等离子羽辉瞬间气化并与靶材的成分一致,喷发出的物质在FTO基片上沉积成薄膜，沉积20分钟后关闭激光器，自然降温至室温。
用掩模方法在沉积了BaSnO3薄膜的样品上加载一层掩模板，镀上直径200μm的圆形ITO电极。选用商用ITO陶瓷靶材,其中In2O3/SnO2(9:1)。沉积室真空预抽达到1.5×10-4Pa，将基底温度调节到130℃，薄膜制备中单脉冲激光能量约300mJ，脉冲宽度25ns，重复频率为5Hz。在薄膜沉积过程中，样品室的氧分压保持在0.5Pa，沉积10分钟后关闭激光器，自然降温至室温，即获得图2中所示的三明治结构的全透明阻变存储器。其光学透过率通过美国Varian公司Cary-5000型紫外-可见-近红外分光光度计测试其平均值约为87%。
电阻开关性能测试则选择上海晨华的CHI660B的电化学工作站进行测试。电阻开关特性的测试示意图如图2所示。所有的测试均在室温下采用三电极测试手段，导电玻璃作为参比电极和对电极，金电极作为工作电极。获得的测试结果通过与仪器连接的计算机获得。
图3显示了异质结室温下的电阻开关特性。扫描测试中所给的外电压沿着0→Vmax→0→-Vmax→0的方向进行，其中正偏置电压定义为从ITO电极流入，从F:SnO2电极流出。从图中可以看出，室温下采用0.3V/s的扫描速率,0.001V的测试间隔，其电流电压曲线呈现非线性特征，正偏置电压和负偏置电压下的电流电压并不对称，并且，在正负电压区域出现明显的回线特征，这是异质结具有阻变的鲜明特征，也就是说该体系具有双极性电脉冲诱导阻变效应。随着电压扫描发现存在两个明显而稳定的电阻态，50次循环电场扫描透明阻变存储器显示出非常高的稳定性。
为了估价在非易失性存储方面潜在的应用，我们进行了抗疲劳特性和保持特性的测试。图4给出了体系的保持特性的测试图，经过2×104秒，在-4.5V/1s和4.5V/1s电压脉冲的激励下，三明治结构的体系在高低阻值之间跳变，两个电阻态几乎没变化。图5表示透明阻变存储器的抗疲劳特性测试结果，从图中可以看到，在不同的电压脉冲±3V/0.002s，±3.5V/0.002s和±4V/0.002s的激励下，体系的多个电阻态在10000次的测试中保持了非常高的稳定性，各个电阻态没有观测到明显的涨落，表明了器件良好的的抗老化特性。±3、3.5、4V的电压激励下，分别获得13000,11000和8320%的电阻变化率（高阻/低阻），这里的多个电阻态可以被定义为0、1、2态,这种电阻开关特性可用于多级存储，可提高器件的存储密度。

Claims (5)

1.一种全透明阻变存储器，其特征在于：包括下电极及下电极表面的阻变存储层，以及沉积于所述阻变存储层上的上电极；所述的上电极和下电极为氧化铟锡（ITO）导电薄膜或氟掺杂氧化锡（FTO）透明导电薄膜；所述的阻变存储层为锡酸钡（BaSnO3）薄膜。
2.根据权利要求1所述的全透明阻变存储器，其特征在于：所述的锡酸钡BaSnO3薄膜是透明的。
3.根据权利要求1所述的全透明阻变存储器，其特征在于：所述上电极是透明的，由FTO导电玻璃组成。
4.根据权利要求1所述的全透明阻变存储器，其特征在于：所述上电极是透明的，且由导电氧化物——氧化铟锡ITO组成。
5.根据权利要求1所述的全透明阻变存储器，其特征在于：所述上电极厚度为230nm,阻变存储层厚度为300nm，下电极厚度为350nm导电材料。
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