CN103325942B - 铁电隧道结器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁电隧道结器件，包括依次堆叠的一层N型半导体薄膜、一层铁电薄膜和一层P型半导体薄膜；其中N型半导体薄膜上连接有第一电极，而在P型半导体薄膜上连接有第二电极，并且第一电极和第二电极为同样的半导体材料基于不同的掺杂而形成，其中第一电极为P型半导体电极，第二电极为N型半导体电极。依据本发明克服现有FTJ器件由于金属电极中屏蔽长度短的限制，实现大的开关比和长久的保持性。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧道结器件。
背景技术
铁电隧道结（FTJ）是一种以铁电超薄膜为势垒层在其两面夹以电极的异质结构。于2005年Kohlstedt H（Theoretical current-voltage characteristics of ferroelectric tunnel junctions[J],Phys Rev B,2005,72:125341）等正式提出了FTJ的概念。
FTJ概念的提出了对铁电薄膜的应用和理论研究提出了新的课题和挑战。其具有两个最明显的新特性：两字隧穿效应和电阻反转效应。当前薄膜制备技术的发展可使铁电薄膜的厚度仅几个纳米，特别是原子尺度控制薄膜生长的技术，甚至可以使铁电薄膜仅具有几个晶胞的厚度。
通常，隧道结由两个金属电极和夹在里面的纳米厚绝缘层组成。超导约瑟夫森结和磁性隧道结都是隧道结的典型应用，已经引起了人们的广泛关注。
最近，随着钙钛矿型氧化物薄膜生长技术的进步，在几个晶格单元厚度的薄膜中仍然可以维持其铁电性，这使得采用超薄铁电陶瓷势垒来实现铁电隧道结（FTJs）成为可能。
不同于传统的隧道结，FTJ可以通过极化反转使得电子的势垒在高值和低值之间切换，实现隧道电阻的电开关，即隧道电阻（TER）。Zhuravlev等人建立起铁电性调制势垒宽度的FTJ开关机制。然而，在传统的金属/铁电/金属FTJs中这种调制会受到金属中短屏蔽长度所限制。
发明人发现如果使用半导体材料替代金属电极可以解决这个问题，当超薄铁电势垒极化反转时，由于铁电场效应作用半导体表面可以在多数载流子的积累和耗尽状态之间切换。因此，随着铁电势垒中势垒高度开关对极化反转响应，存在对势垒宽度的一个额外的调谐。如果半导体表面耗尽，隧穿电子必须经历在空间电荷区的一个额外的势垒。进而可以调节隧道结隧道电流的大小。
发明内容
为此，本发明的目的在于提供一种铁电隧道结器件，使用半导体材料电极代替传统的金属电极，克服现有FTJ器件由于金属电极中屏蔽长度短的限制，实现大的开关比和长久的保持性。
本发明采用以下技术方案：
一种铁电隧道结器件，包括依次堆叠的一层N型半导体薄膜、一层铁电薄膜和一层P型半导体薄膜；其中N型半导体薄膜上连接有第一电极，而在P型半导体薄膜上连接有第二电极，并且第一电极和第二电极为同样的半导体材料基于不同的掺杂而形成，其中第一电极为P型半导体电极，第二电极为N型半导体电极。
从上述方案可以看出，依据本发明，使用半导体电极取代传统的金属电极，经验证，基于此方案，能够有效地克服传统金属电极器件由于金属电极屏蔽长度短的限制，能够实现大的开关比和长久的保持性。进一步地，两电极材料采用相同的半导体材料，从而，使得该结构中各层薄膜之间不会产生大的晶格失配，易于得到清晰的晶格界面。不同的掺杂在于电极与不同半导体薄膜的匹配连接。
上述铁电隧道结器件，所述铁电薄膜的厚度为1nm~3nm。
上述铁电隧道结器件，所述第二电极为一层体，叠装在所述P型半导体薄膜上；而所述第一电极为薄膜贴片，贴装在所述N型半导体上。
上述铁电隧道结器件， N型半导体薄膜、铁电薄膜和P型半导体薄膜有原子级得分界面，界面处的两种材料的原子间无相互扩散。
上述铁电隧道结器件，铁电薄膜与相邻的P型半导体薄膜及N型半导体薄膜的晶格常数相近，晶格常数差值比在±1%范围以内。
上述铁电隧道结器件，铁电薄膜与相邻的P型半导体薄膜及N型半导体薄膜的接触面的外延对应为沉积薄膜沿用衬底材料的晶格常数。
附图说明
图1为N-type半导体/铁电/P-type半导体FTJ隧道结结构示意图。
01-Pt 上电极；02-N-type半导体；03-铁电极薄薄膜；04- P-type半导体；05-下电极；06-下电极引线；06-上电极引线
图2为N-type半导体/铁电/P-type半导体FTJ隧道结电阻-电压关系示意图。其中横轴表示器件所受的电压（标准化处理），纵轴表示器件的响应电阻，电压施加的过程为从负的最大电压，到0V，再到正的最大电压，到0V，最后回到负的最大电压。
图3为实施例一实验条件下制备的薄膜的剩余极化的厚度依赖曲线。
具体实施方式
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：
实施例1、p-type SrTiO3半导体/BaTiO3/n-type SrTiO3半导体隧道结
如图所示，本新型p-type SrTiO3半导体/BaTiO3/n-type SrTiO3半导体隧道结的主要生产制造流程为：
a) 将单晶BaTiO3靶材固定在脉冲激光沉积制膜系统的靶台上，将衬底固定在衬底台上，均放置在脉冲激光沉积制膜系统的生长室中；
b) 用真空泵通过机械泵和分子泵的接口阀将生长室抽真空到2×10-9 Torr以下，关闭分子泵；
c) 调节进气阀，使生长室的流动氧气压为~0.1 mbar；
d) 使用电阻加热炉加热衬底台，使衬底的温度升至~775 oC；
e) 旋转衬底台和靶台；
f) 启动KrF准分子激光器，波长248 nm，频率1 Hz，单脉冲能量密度为~2 J/cm2，使激光束通过透镜聚焦在单晶BaTiO3靶材上；
g) 在衬底上沉积BaTiO3薄膜厚度约为2nm；通过计数反射高能电子衍射图案中的高光点的强度振荡，将BaTiO3的厚度控制在1-3 nm。
h) 薄膜沉积后，500 mbar氧气氛中750 oC退火1h，然后以10 oC/min下降到室温。
i) 换上单晶SrTiO3:Rh (7 atom%)靶材，使衬底的温度升至~700 oC；
j) 启动KrF准分子激光器，波长248nm，频率1Hz，单脉冲能量密度为~2 J/cm2，使激光束通过透镜聚焦在单晶Rh-SrTiO3靶材上；在衬底上沉积SrTiO3:Rh (7 atom%)薄膜厚度约为200nm-500nm；
k) 薄膜沉积后，500mbar氧气氛中700 oC退火2h，然后以10 oC/min下降到室温。
然后通过使用掩模板在p-type半导体薄膜上溅射沉积沉积铟金属电极，Nb:STO衬底通过铟欧姆接触垫总是接地。
使用Keithley 2400数字源表用来衡量FTJs的I-V特性和电阻开关特性。电性能测量是在LakeShore CRX-4K探针台上通过定位铍铜探针在电极上进行的。测试脉冲被施加到Pt电极上。
图2 显示了该隧道结的电阻-电压关系示意图
一般来讲势垒层的厚度大于3nm，其隧道效应会明显变差，这是隧道结这个领域比较认可的看法。因此我们将厚度限定为3nm以内，但是对于铁电这种特殊材料来讲，它有着自身铁电性的厚度依赖，如果厚度太薄其铁电性会消失，这样在隧道结中就起不到铁电性调节的作用，其铁电性的厚度依赖见图3.
图3 实施例一实验条件下制备的薄膜的剩余极化的厚度依赖，下面的一条曲线为实验及其外推数据，上面为朗道理论预测的数据，有图可见，如果薄膜厚度太薄，自发极化将消失，因此需要控制在一个合理的范围，这里取1-3nm。
取铁电薄膜厚度为2.5 nm，得到开关电导比在几千–几万倍范围，远大于传统隧道结的开关比。保持性可以外推到十年以上，满足商业应用。
铁电薄膜的种类很多，我们这里是使用他们的共性即铁电性，具体使用其剩余极化强度，利用极化束缚电荷对与之接触半导体界面处的载流子状态（积累或耗尽）进行控制，已达到调节势垒高度和势垒宽度的目的。因此本发明涉及到的铁电材料需具有一定的剩余极化，在与隧道结其他部分结合后，能够有足够的极化强度实现对界面状态的控制。
晶格常数对器件性能的影响，主要考虑到，半导体和铁电薄膜之间晶格常数的匹配问题，如果晶格常数值相差较大，会引入较大的晶格失配，在界面处引入位错等缺陷，破坏界面的屏蔽效应。因此要求晶格具有较好的匹配性。
实施例2、n-type ZnO/BaTiO3/p-type ZnO 隧道结
本新型n-type ZnO/BaTiO3/p-type ZnO 隧道结仍然可以采用脉冲激光沉积工艺来制备[V. M. Voora, et al., Appl. Phys. Lett. 95, 082902 (2009)]。其中高质量的n-type ZnO可以通过掺杂III族元素如Al, Ga, 和In等来获得[P. Nunes, et al., Vacuum 64, 281 (2002).]。p-type ZnO膜可以通过掺杂像氮、砷和磷等受主杂质来获得[L. G. Wang and A. Zunger, Phys. Rev. Lett. 90, 256401 (2003)]。隧道结的三明治结构可以通过在(0001)取向ZnO外延生长(111)取向的BTO铁电薄膜。其典型的厚度为n-type ZnO(500 nm)/BaTiO3 (2-3 nm)/p-type ZnO (500 nm)。
实施例3、n-type Si/铁电/p-type Si 隧道结
在以硅为航空母舰的现代信息产业中，实现硅基新型器件的意义非常重大，这大大节省了生产线改装的成本，可以直接利用现有的成熟的硅工艺，节省了人力、物力和科研成本的投入。实现硅的集成应该是这个时代电子器件的终极目标。但是，与许多元素及其氧化物反应，硅的高活性对在硅上直接集成功能氧化物带来了艰巨的挑战，因为硅表面具有迅速形成自己的氧化物的倾向。
但是可以预见的，随着制造工艺的飞速发展，功能铁电薄膜与硅单晶的集成终将成为成熟的技术。n-type Si/铁电/p-type Si隧道结将被制造，该器件主要的优点是上下电极采用相同的单晶半导体，只需掺入不同的n-type和p-type杂质即可。这种器件就像是在传统的硅PN结中间添加了一层极薄的铁电薄膜势垒，在理论上有着简单而完美的工作原理。
Claims (3)
1.一种铁电隧道结器件，其特征在于，包括依次堆叠的一层N型半导体薄膜、一层铁电薄膜和一层P型半导体薄膜；其中N型半导体薄膜上连接有第一电极，而在P型半导体薄膜上连接有第二电极，并且N型半导体薄膜和P型半导体薄膜为同样的半导体材料基于不同的掺杂而形成，其中第一电极为铂金属电极，第二电极为铟金属电极；
所述铁电薄膜的厚度为1nm~3nm；
所述第二电极为一层体，叠装在所述P型半导体薄膜上；而所述第一电极为薄膜贴片，贴装在所述N型半导体上。
2.根据权利要求1所述的铁电隧道结器件，其特征在于，N型半导体薄膜、铁电薄膜和P型半导体薄膜有原子级得分界面，界面处的两种材料的原子间无相互扩散。
3.根据权利要求1所述的铁电隧道结器件，其特征在于，铁电薄膜与相邻的P型半导体薄膜及N型半导体薄膜的晶格常数相近，晶格常数差值比在±1%范围以内；其中，铁电隧道结为p-type SrTiO3半导体/BaTiO3/n-type SrTiO3半导体隧道结、n-type ZnO/BaTiO3/p-type ZnO 半导体隧道结或者n-type Si/铁电/p-type Si 半导体隧道结。
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