CN104409630A - 一种基于氧化镓薄膜的单极型阻变存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于氧化镓薄膜的单极型阻变存储器。本发明由下电极、阻变层和上电极构成，具体是指以Pt/Ti/SiO2/Si衬底为下电极，采用激光脉冲沉积的方法在衬底上生长非晶氧化镓薄膜作为阻变层，再通过磁控溅射的方法溅射直径为200μm的Pt点电极作为上电极，制备得到的Pt/Ga2O3-x/Pt三明治结构。本发明的优点：制备过程简单，工艺可控性强，易操作，所得薄膜表面致密、厚度稳定均一、结构连续，制备的氧化镓薄膜单极型阻变存储器，具有高低阻值比大、保持性能好、存储密度高、易读取等优势。本发明制备的氧化镓薄膜单极型阻变存储器在非易失性存储领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于非易失性存储器件技术领域，具体涉及一种基于Pt/Ga2O3-x/Pt三明治结构的单极型阻变存储单元及其制备方法。
技术背景
近年来，鉴于阻变存储器(Resistive Random Access Memory,RRAM)的存储单元结构简单、工作速度快、功耗低、信息保持稳定、具有不挥发性，且易于实现三维立体集成和多值存储，有利于提高集成密度等多方面的优越性能，引起了科研人员的广泛关注，并成为新一代存储技术研究的热点。阻变存储器通常由金属/绝缘层/金属三明治结构构成，金属层为上、下电极，而中间绝缘层则为阻变材料。当在两个电极之间施加一定幅度和一定宽度的脉冲电压，阻变层材料就会在高、低两个稳定的阻态之间进行可逆的转换，可以进行“0”和“1”信息稳定的存储，从高阻态到低阻态的过程称之为“Set”，而低阻态到高阻态的过程则称之为“Reset”。
阻变存储器根据其实现高、低阻态转变所需施加电压的极性可分为两类：单极型(Unipolar)阻变存储器和双极型(Bipolar)阻变存储器。前者指的是在不同大小的电场作用下发生阻变效应，与电场的方向无关；而后者则是在不同极性电压作用下发生阻变效应，即正向电压作用下，电阻从低阻态变为高阻态；相反，在反向电压作用下，电阻从高阻态变为低阻态。相比于双极型，单极型阻变存储器具有高低阻值比大、存储密度高、易读取等优点受到了科研人员的青睐。更为重要的是，在阻变储存器的应用方面，为了防止阻变存储单元交叉阵列结构间的误读，科研人员往往在每个阻变单元上串联一个整流二极管，这使得只有无极性的单极型阻变存储才适合该改造，而双极型的阻变储存则失去了其原有的功能。
氧化镓禁带宽度大(～4.9eV)，暗电流小，具有无毒、无害、成本低和紫外可见光透过率高等优点，并对氧极为敏感，是一种很有研究价值的氧化物薄膜存储材料。目前报道的有关氧化镓薄膜的阻变存储器都为双极型阻变行为，并且其阻变机制还存在较大争议，如Gao等认为其阻变行为是由氧空位导电细丝引起[APL,97,193501(2010)]，而Aoki等则认为其是由氧离子体效应引起[NatureCommun.5,3473(2014)]。然而，关于氧化镓薄膜的单极型阻变行为至今却没见报道。
本发明制备并观测到了氧化镓薄膜单极型阻变行为，系统地测试了其重复性、保持性等。该发明为氧化镓基薄膜单极型阻变存储器的应用提供理论和技术支持。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阻变性能好、读写操作重复性和稳定性好的氧化镓薄膜单极型阻变储存器及其制备方法。
本发明是以下述技术方案得以实现的：
一种基于氧化镓薄膜的单极型阻变存储器，其特征在于：由下电极、阻变层和上电极构成，阻变层为氧化镓薄膜，氧化镓的成分为Ga2O3-x，其中x为0.2—0.4，氧化镓阻变层的厚度为250nm—350nm，上电极、下电极均为Pt金属，上电极为点电极，直径为200μm。作为更佳选择，其中x为0.3，氧化镓阻变层的厚度为300nm；
一种基于氧化镓薄膜单极型阻变存储器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以Pt/Ti/SiO2/Si为衬底，用粘有酒精的棉球擦洗干净，自然晾干；
(2)将清洗干净的Pt/Ti/SiO2/Si衬底用硅片挡住一部分，在衬底中未用硅片挡住部分采用激光脉冲沉积技术生长氧化镓薄膜，具体操作参数如下：工作气压1×10-6Pa，衬底温度300℃，靶基距5cm，激光能量4.5J/cm2—5.5J/cm2，激光频率2Hz，激光脉冲次数5000下；
(3)将步骤(2)中制备的氧化镓薄膜用掩膜板遮挡，采用射频磁控溅射方法溅射一层厚度为150nm、直径为200μm的Pt点电极作为上电极，溅射工艺条件如下：本底真空小于10-4Pa，衬底温度室温，工作气氛为Ar气，工作气压为0.8Pa,溅射功率为40W，溅射时间为5min。
本发明以Pt/Ti/SiO2/Si衬底为下电极，通过激光脉冲沉积技术生长非晶氧化镓薄膜作为阻变层，再通过磁控溅射的方法溅射直径为200μm的Pt点电极作为上电极，制备了Pt/Ga2O3-x/Pt三明治结构，具体步骤如下：
(1)先取一片10mm×5mm×0.5mm大小的Pt/Ti/SiO2/Si为衬底(购置于中国科学院上海光学精密机械研究所，Pt、Ti、SiO2的厚度分别为：200nm、50nm、500nm)，用粘有酒精的棉球擦洗干净，自然晾干；
(2)将上述清洗干净的Pt/Ti/SiO2/Si衬底用硅片挡住一部分，采用激光脉冲沉积技术生长氧化镓薄膜(～300nm)，具体参数如下：工作气压1×10-6Pa(本底真空)，衬底温度300℃，靶基距5cm，激光能量≈5J/cm2，激光频率2Hz，激光脉冲次数5000下；
(3)将步骤(2)中制备的氧化镓薄膜用掩膜板遮挡，采用射频磁控溅射方法溅射一层厚度为150nm-200nm、直径为200μm的Pt点电极作为上电极，溅射工艺条件如下：本底真空小于10-4Pa，衬底温度室温，工作气氛为Ar气，工作气压为0.8Pa,溅射功率为40W，溅射时间为5min。
本发明的优点和有益效果是：
本发明制备过程简单，所用衬底为商业产品；本发明在制备过程中，采用激光脉冲沉积方法制备氧化镓薄膜，工艺可控性强，易操作，所得薄膜表面致密、厚度稳定均一、结构连续。所制备的器件结构具有很大的存储窗口和良好的保持特性的性能。
附图说明
图1是用本发明方法制得的Pt/Ga2O3-x/Pt单极型阻变存储器件结构示意图；
图2是用本发明方法制得的Pt/Ga2O3-x/Pt三明治结构单极型阻变行为的I-V曲线图(Set过程限流为±6mA)；
图3是用本发明方法制得的Pt/Ga2O3-x/Pt单极型阻变行为的重复性(图中示出70个循环)；
图4是用本发明方法制得的Pt/Ga2O3-x/Pt单极型阻变存储单元高、低阻态的保持性能；
具体实施方式
以下结合实例进一步说明本发明。
实施例1
取一片10mm×5mm×0.5mm大小的Pt/Ti/SiO2/Si为衬底，用粘有酒精的棉球擦洗干净，自然晾干。将上述清洗干净的衬底用硅片挡住一部分，采用激光脉冲沉积技术生长一层300nm厚度的氧化镓薄膜(具体参数如下：工作气压为本底真空气压1×10-6Pa，衬底温度300℃，靶基距5cm，激光能量≈5J/cm2，激光频率2Hz，激光脉冲次数5000下)。将上述制备的氧化镓薄膜用掩膜板遮挡，采用射频磁控溅射方法溅射一层厚度为150nm、直径为200μm的Pt点电极作为上电极(溅射工艺条件如下：本底真空小于10-4Pa，衬底温度为室温，工作气氛为Ar气，工作气压为0.8Pa，溅射功率为40W，溅射时间为5min)。经过上述实验过程即可制备得到Pt/Ga2O3-x/Pt三明治结构，如图1所示。将该结构移至探测台，将两探针分别置于Pt上电极、下电极。设置限制电流为6mA,扫描电压为0V→+8V→0V，在电压比较低的情况下，电流很小，而在3.92V处电流迅速增加至限制电流值6mA，电阻从高阻态变为低阻态，此时当电压减小至零该结构仍保持在低阻态，此过程为“Set”过程。第二次I-V扫描时，不限流量，且电压变为0V→+3V→0V。可以看出，随着电压的增加电流线性增加，并在1.92V处突然减小，此时低阻态回到高阻态，同样当电压减小至零该结构仍保持在高阻态，此过程为“Reset”过程。另外，在负电压方向，即0V→-8V→0V(限流)和0V→-3V→0V(不限流)的扫描模式下，同样也得到了与正向类似的结果，如图2所示。以上结果说明该Pt/Ga2O3-x/Pt三明治结构具有单极型阻变行为。图3示出了正向电压下70个Set和Reset过程的循环测试，从图中可以得出该结构的单极型阻变行为的重复性较好。同时，该器件具有很大的高低阻值比(～104),且高阻态和低阻态在0.1V的读取电压下保持104s后电阻仍没有发生变化，说明高、低阻态间的存储窗口具有良好的保持特性，如图4所示。以上结果表明氧化镓薄膜可以制备性能良好的单极型阻变存储器。
Claims (3)
1.一种基于氧化镓薄膜的单极型阻变存储器，其特征在于：由下电极、阻变层和上电极构成，阻变层为氧化镓薄膜，氧化镓的成分为Ga2O3-x，其中x为0.2—0.4，氧化镓阻变层的厚度为250nm—350nm，上电极、下电极均为Pt金属，上电极为点电极，直径为200μm。
2.根据权利要求1所述的一种基于氧化镓薄膜的单极型阻变存储器，其特征在于：氧化镓的成分为Ga2O3-x，其中x为0.3，氧化镓阻变层的厚度为300nm。
3.根据权利要求1所述一种基于氧化镓薄膜单极型阻变存储器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以Pt/Ti/SiO2/Si为衬底，用粘有酒精的棉球擦洗干净，自然晾干；
(2)将清洗干净的Pt/Ti/SiO2/Si衬底用硅片挡住一部分，在衬底中未用硅片挡住部分采用激光脉冲沉积技术生长氧化镓薄膜，具体操作参数如下：工作气压1×10-6Pa，衬底温度300℃，靶基距5cm，激光能量4.5J/cm2—5.5J/cm2，激光频率2Hz，激光脉冲次数5000下；
(3)将步骤(2)中制备的氧化镓薄膜用掩膜板遮挡，采用射频磁控溅射方法溅射一层厚度为150nm、直径为200μm的Pt点电极作为上电极，溅射工艺条件如下：本底真空小于10-4Pa，衬底温度室温，工作气氛为Ar气，工作气压为0.8Pa,溅射功率为40W，溅射时间为5min。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150311 |