CN103985816B - 一种铝/铁掺杂非晶碳膜/铝纳米薄膜记忆电阻存储器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝/铁掺杂非晶碳膜/铝纳米薄膜记忆电阻存储器件及制备方法。该方法以石英玻璃基片作为衬底，采用脉冲激光沉积法制备铁掺杂的非晶碳膜，再采用真空热蒸发法在该碳膜上蒸镀两个铝层作为电极,并连接电压触发器，制备成本器件。本器件在室温下，存在高低两种电阻态，电阻开关现象极为明显，可通过简单的脉冲电压进行写入，通过检测电阻态实现读取。具有读写速度快、可重复性强，结构简单、稳定、耐振动，工艺简洁、环保无污染，原材料价格低廉，易回收重复利用等优越性。
Description
技术领域
本发明涉及记忆存储技术，具体涉及一种铝/铁掺杂非晶碳膜/铝纳米薄膜记忆电阻存储器件及其制备方法。
技术背景
记忆存储器件是进行信息存储与读取的物理介质，集成化后可以做成内存、硬盘、光盘等单元器件。根据工作原理不同，可分为磁存储器、电存储器等。其中，磁存储器是利用铁磁材料在外磁场下原子发生自发极化，当除去外磁场时，此自发极化还可以继续保持，从而将瞬间的外场变化作为数据信号记录下来。电存储器则是利用铁电材料在外电场下原子发生自发极化，将外电场的瞬间变化作为数据信号记录下来。目前，记忆存储器件已经广泛应用于国防、科学研究、家用电器、网络工程等方面。现有的电磁存储器的优点是存储容量大、价格低、可多次重复读写、保存时间长等。它们的缺点是读取速度较慢、机械结构复杂、工作环境要求高、不耐振动等。随着科技的发展，传统的存储器已经接近其物理与技术的双重极限，人们期待寻找到读取速度更快、结构更简单、工作更稳定的存储器。记忆电阻存储器可能满足以上要求，从而成为取代传统存储器的备选方案之一。专利“氧化铜纳米颗粒薄膜非挥发性存储器原型器件的制作方法”（CN101609868B）公开了一种采用真空离子束溅射方法将铜纳米颗粒沉积在玻璃基片上，然后在空气中高温氧化，并喷金电极，得到氧化铜纳米颗粒薄膜非挥发性记忆电阻存储器件原型的方法。该器件原型有较为明显的电阻开关现象。但该专利技术因纳米铜颗粒需在高温下退火氧化5小时才能获得氧化铜，制备过程繁琐，而且所形成高达10万欧姆的过大电阻，距离实际应用尚有一段距离。为此，业内非常有必要拓宽对纳米颗粒薄膜类记忆电阻存储器件的深入研究。
发明内容
本发明提供一种新型的铝/铁掺杂非晶碳膜/铝纳米薄膜记忆电阻存储器件及其制备方法。通过形成铝/铁掺杂的非晶碳膜/铝的结构，接入脉冲电压，触发后即可实现对数据的读写。
本发明的技术解决方案如下：
本发明所称的纳米薄膜记忆电阻存储器的结构是：铁掺杂的非晶碳(a-C:Fe)膜镀于作为衬底的绝缘石英玻璃(SiO2)基片上，铁掺杂的非晶碳膜两端镀有两个铝(Al)层，作为电极，电极接线连通电压触发器构成。
本发明所称的纳米薄膜记忆电阻存储器制备方法是：以绝缘石英玻璃基片作为衬底，采用脉冲激光沉积方法制备铁掺杂的非晶碳（a-C:Fe）膜，然后再采用真空热蒸发方法在所述碳膜上蒸镀两个铝（Al）层作为电极, 电极接线连通电压触发器，则制成具有铝/铁掺杂非晶碳膜/铝（Al/a-C:Fe/Al）结构的纳米薄膜记忆电阻存储器。
本发明方法的进一步技术解决方案：
所述铁掺杂的非晶碳（a-C:Fe）膜的Fe掺杂量为10 -15%（原子百分比）；所述铁掺杂的的非晶碳（a-C:Fe）膜厚度为30-40nm；所述两个铝（Al）层厚度为80-120nm。
本发明的有益效果
（一）本发明纳米薄膜记忆电阻存储器具有Al/a-C:Fe/Al结构。经测试，
在室温下，该器件存在两种电阻态（高阻态和低阻态），电阻开关现象十分明显。在外加电压小于4V时，器件可以稳定地处于低阻或高阻态。当受到高于4V的电压时，则会由某一电阻态跳跃到另一电阻态上。即在2V工作电压基础上串联一个4V的脉冲电压触发，就可实现高低电阻态之间的切换，从而完成一次写入操作。而所形成高低组态电阻皆小于1000欧姆，故具有实际应用价值。
（二）本发明由于可以通过简单的脉冲电压进行写入，而通过检测电阻态即可读取，因此读写速度快，可重复性强。另外，本器件还具有结构简单，稳定、耐振动的优点。
（三）本发明与现有技术及同类纳米颗粒薄膜类记忆电阻存储器件相比，
还具有制备工艺更简单、所取用的原材料价格低廉、且环保无污染；在需要
对器件回收重复利用时，只需灼烧碳膜，将其变为二氧化碳气体排出，衬底
石英玻璃基片经过简单的处理，即可再用以制备该器件。
附图说明
图1为本发明记忆电阻存储器件（以下简称器件）结构及电测量系统。
图2为使用扫描电子显微镜，所观察到的本发明器件a-C：Fe薄膜的表面形貌。
图3为a-C：Fe 薄膜的拉曼光谱，其中所标示的D峰和G峰为非晶碳膜的两个特征峰。
图4为本发明器件在电压源驱动下，在[-5V,5V]的电压区间内的所测量的电流-电压(I-V)曲线。从该图中可以看出本器件在高阻态和低阻态之间的跃迁。
图5展示了本发明器件的电阻随时间的变化。在2V稳压下工作时，本器件可以稳定的保持在某一电阻态（样件高阻态电阻为862Ω，低阻态电阻为275Ω）；当外加4V脉冲电压时，则发生电阻态之间的跃迁。
具体实施方式
根据上述技术方案制作样件。取石英玻璃 (SiO2) 基片作为衬底，采用脉冲激光沉积方法制备铁掺杂的非晶碳（a-C:Fe）膜，镀膜时使用纯度为99.99%的石墨和99.9%的金属Fe为靶源，金属Fe片贴在石墨靶上，操作中，通过靶和样件基片自转实现均匀掺杂，Fe掺杂量约10-15 %，激光能量320毫焦/脉冲，腔体真空度1×10-6 mBar，基片温度400-600℃，靶与基片距离4-6 cm，镀膜后退火30-60分钟，自然降温至室温。完成铁掺杂的非晶碳（a-C:Fe）膜制作。
然后采用真空热蒸发方法，即通过掩膜板控制，在铁掺杂的非晶碳（a-C:Fe）膜的两端蒸镀铝（Al）层，蒸镀时，将一小段约20-30毫克、纯度为99.9%的Al放入加热舟内，腔内抽至背底真空10-6mBar，室温下增大电流直至铝（Al）镀层厚度约为80-120nm。则样件形成具有铝/铁掺杂非晶碳膜/铝（Al/a-C:Fe/Al）的结构。以铝（Al）层作为电极, 电极接线连通电压触发器，则最终制成本发明器件。
以下再结合由多种实验结果所制作的附图，对本发明的技术方案作进一步说明：
如图1显示本发明器件的结构及其电测量系统，器件的结构包括：石英玻璃(SiO2)基片的衬底1，基片上镀a-C：Fe膜2，a-C：Fe膜上设置有两个镀铝（Al）层分别3a和3b，两个铝（Al）层构成一对电极。通过铝电极接线连通稳压源和脉冲电压触发器,构成本发明器件的电测量系统。
如图 2 使用扫描电子显微镜对本发明器件a-C：Fe薄膜的表面形貌进行观察，所看到薄膜表面有许多小颗粒，是由于薄膜非晶结构导致。
如图 3 为a-C：Fe的拉曼光谱，D峰和G峰分别位于1350 cm-2 和1597 cm-2,而较大的半峰宽亦是由于薄膜的非晶结构所致。
如图 4 所示，发明器件在[-5V,5V]的电压区间内所测的I-V曲线。图中已经分别标注出了高阻态和低阻态。当外加偏压高于4V时，本发明器件即可在高阻态和低阻态之间进行跃迁。
如图 5 为应用本发明器件的模拟读写操作。用2V电压源来测量电阻。同时串接脉冲电压触发器，可以在极短时间内给出4V电压信号。当脉冲电压与稳定电压源叠加后，器件所受电压为6V。由图所示，当没有脉冲电压（稳定电压2V）影响时，本器件会始终稳定于某一电阻态。当分别于100s、200s及300s处给予脉冲电压时，都发生电阻态的跃迁。该发明器件只需通过施加脉冲电压以及测量其电阻态就可以完成数据的写入与读出，与传统电磁存储器相比具有更快的存储与读取速度。另外，由于整个读写都是通过电测量完成，使得该存储器的抗震能力更强，工作稳定性更好。
综上，本发明可实现预期的发明目的。
Claims (5)
1.一种铝/铁掺杂非晶碳膜/铝纳米薄膜记忆电阻存储器，其特征在于：该纳米薄膜记忆电阻存储器的结构是：铁掺杂的非晶碳(a-C:Fe)膜镀于作为衬底的绝缘石英玻璃(SiO2)基片上，铁掺杂的非晶碳膜两端镀有两个铝(Al)层，该两个铝(Al)层作为电极，电极接线连通电压触发器构成。
2.根据权利要求1所述的一种铝/铁掺杂非晶碳膜/铝纳米薄膜记忆电阻存储器，其特征在于：所述铁掺杂的非晶碳（a-C:Fe）膜的Fe掺杂量的原子百分比为10 -15%；所述铁掺杂的的非晶碳（a-C:Fe）膜厚度为30-40nm；所述两个铝（Al）层厚度为80-120nm。
3.一种铝/铁掺杂非晶碳膜/铝纳米薄膜记忆电阻存储器的制备方法，其特征在于：该制备方法以绝缘石英玻璃基片作为衬底，采用脉冲激光沉积方法制备铁掺杂的非晶碳（a-C:Fe）膜，然后再采用真空热蒸发方法在所述碳膜上蒸镀两个铝（Al）层作为电极, 电极接线连通电压触发器，则制成具有铝/铁掺杂非晶碳膜/铝（Al/a-C:Fe/Al）结构的纳米薄膜记忆电阻存储器。
4.根据权利要求3所述的一种铝/铁掺杂非晶碳膜/铝纳米薄膜记忆电阻存储器的制备方法，其特征在于：所述采用脉冲激光沉积方法制备铁掺杂的非晶碳（a-C:Fe）膜，是镀膜时使用纯度为99.99%的石墨和99.9%的金属Fe为靶源，金属Fe片贴在石墨靶上，操作中，通过靶和样件基片自转实现均匀掺杂，Fe掺杂量的原子百分比为10-15 %，激光能量320毫焦/脉冲，腔体真空度1×10-6 mBar，基片温度400-600℃，靶与基片距离4-6 cm，镀膜后退火30-60分钟，自然降温至室温。
5.根据权利要求3所述的一种铝/铁掺杂非晶碳膜/铝纳米薄膜记忆电阻存储器的制备方法，其特征在于：所述采用真空热蒸发方法在所述碳膜上蒸镀两个铝（Al）层，是通过掩膜板控制，在铁掺杂的非晶碳（a-C:Fe）膜的两端蒸镀铝（Al）层，蒸镀时，将一小段20-30毫克、纯度为99.9%的Al放入加热舟内，腔内抽至背底真空10-6mBar，室温下增大电流直至铝（Al）镀层厚度为80-120nm，以铝（Al）层作为电极, 电极接线连通电压触发器，则最终制成制成具有铝/铁掺杂非晶碳膜/铝（Al/a-C:Fe/Al）结构的纳米薄膜记忆电阻存储器。
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