CN104538549A

CN104538549A - SrTiO3单晶电阻开关器件的制备方法

Info

Publication number: CN104538549A
Application number: CN201410839802.1A
Authority: CN
Inventors: 廖霞霞; 王惠琼; 王吉政; 郑金成
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2015-04-22

Abstract

SrTiO₃单晶电阻开关器件的制备方法，涉及电阻开关器件。将未掺杂的SrTiO₃单晶片清洗后放入石英玻璃管中，然后将石英玻璃管中的空气用氩气置换后密封；将获得的封装好的含有SrTiO₃单晶片的石英玻璃管加热后，取出，冷却至室温，敲碎石英玻璃管即得高温退火后的SrTiO₃单晶片；将高温退火后的SrTiO₃单晶片镀金电极，取出后在SrTiO₃单晶片的另一面滴上银胶，成为银电极，完成SrTiO₃单晶电阻开关器件的制备。制备方法简单，易于操作，封装好的SrTiO₃单晶片可直接在空气中加热。退火后的SrTiO₃单晶片表面出现了丝状导电通电，不需要经过电铸过程就可以实现SrTiO₃单晶片的开关性能。

Description

SrTiO3单晶电阻开关器件的制备方法

技术领域

本发明涉及电阻开关器件，特别涉及一种高温退火后的SrTiO₃单晶电阻开关器件的制备方法。

背景技术

基于电阻开关现象的电阻式随机存储器有望成为下一代记忆器件的替代品之一，因此具有重要的研究价值。氧化物因其稳定性和环境适应性上的优势，其电阻开关现象(resistanceswitching behavior)被广泛的研究。目前，应用在电阻开关器件中的氧化物主要有TiO₂、BaTiO₃、SrTiO₃、NiO、La_1-xSr_xMnO₃等。Materials today，2008，11(6)：28-36系统的研究了过渡金属氧化物的电阻开关性质，指出过渡金属氧化物在外加电压下呈现出可逆的电阻开光性质。SrTiO₃是一种钙钛矿结构的氧化物，熔点为2080℃，具有高温和环境稳定等特性，既可以实现n型掺杂又可实现p型掺杂，是很好的一种电阻开关材料。文献Applied Physics Letters，2010,97(22):222117-222119指出Nb掺杂的SrTiO₃单晶片能够实现快速的开关性能，其响应时间可以缩短至5ns。

完好的SrTiO₃单晶片是一种带隙宽度为3.2eV的绝缘体，要实现电阻开关性质，必须经过掺杂或是产生氧缺陷，使SrTiO₃单晶片中有可移动的载流子。通常情况下，掺杂或是产出氧缺陷后的SrTiO₃单晶片需要进行电铸过程，即在SrTiO₃单晶片上长时间的加一个大于10⁵V/cm的直流电应力，使SrTiO₃单晶片的电阻降低几个数量级，提高样品的导电能力。一定的载流子浓度有利于金属电极和半导体界面形成肖特基结。经过电铸过程后的SrTiO₃，就出现了双极性的开关性能：Nature Materials，2006,5(4)：312-320指出退火后的SrTiO₃单晶片在电铸过程中产生了丝状导电结构。综上所述，SrTiO₃单晶片具有很好的电阻开关性质，但是掺杂增加了样品的制备难度，目前通用的产生氧缺陷的方式为真空退火需要有保持真空的设备，且需要进行额外的电铸过程。

发明内容

本发明的目的是针对上述SrTiO₃单晶片电阻开关器件的不足和缺陷，提供一种高温退火后的SrTiO₃单晶电阻开关器件的制备方法。

所述制备方法包括如下步骤：

1)将未掺杂的SrTiO₃单晶片清洗后放入石英玻璃管中，然后将石英玻璃管中的空气用氩气置换后密封；

2)将步骤1)中获得的封装好的含有SrTiO₃单晶片的石英玻璃管加热后，取出，冷却至室温，敲碎石英玻璃管即得高温退火后的SrTiO₃单晶片；

3)将步骤2)中高温退火后的SrTiO₃单晶片镀金电极，取出后在SrTiO₃单晶片的另一面滴上银胶，成为银电极，完成SrTiO₃单晶电阻开关器件的制备。

在步骤1)中，所述置换可利用抽真空装置将石英玻璃管中的空气用氩气置换；所述密封可用氧炔焰熔断石英玻璃管实现密封。

在步骤2)中，所述加热可在恒温井式炉中加热；所述冷却可置于空气中冷却。

在步骤3)中，所述镀金电极可放入真空镀膜机中镀金电极。

制得的SrTiO₃单晶电阻开关器件可放入Keithley4200半导体测试系统中测试，发现退火后的SrTiO₃单晶片呈现出良好的电阻开关性能。

本发明所制得的SrTiO₃单晶电阻开关器件由钙钛矿氧化物SrTiO₃单晶经过高温退火后呈现出良好的电阻开关性能，经过封装工艺将SrTiO₃单晶片密封于氩气氛围中高温退火，处理后的SrTiO₃单晶片表面出现了丝状氧缺陷导电通道且具有良好的电阻开关性能，此丝状氧缺陷导电通道是SrTiO₃单晶电阻开关器件的主要工作区域，是器件具有电阻开关性能的主要来源。

本发明的制备方法简单，易于操作，封装好的SrTiO₃单晶片可以直接在空气中加热，不需要保持真空的昂贵设备和复杂的操作程序。退火后的SrTiO₃单晶片表面出现了丝状导电通电，不需要经过电铸过程就可以实现SrTiO₃单晶片的开关性能。

本发明的优点为：本发明将高温退火后的钙钛矿氧化物SrTiO₃单晶片制备成电阻开关器件且性能良好，采用封装工艺将SrTiO₃单晶片密封在石英玻璃管中后可直接置于空气中加热，避免了其他退火方式需要保持真空的设备和操作的复杂性，此方法已经产生了丝状的氧缺陷导电通道就不需要再进行电铸过程。本发明操作简单，对设备要求低，是一种很好的实现SrTiO₃单晶片开关性能的方式。

附图说明

图1为SrTiO₃单晶片电阻开关器件的结构图。

图2为高温退火后SrTiO₃单晶片表面扫面电子显微镜图。

图3为高温退火后SrTiO₃单晶片的开关器件的I-V曲线图。

具体实施方式

下面对高温退火后的SrTiO₃单晶电阻开关器件进行详细说明。

一种高温退火后的SrTiO₃单晶电阻开关器件的具体实施方式如下：

1)采用购买的完好未掺杂的SrTiO₃单晶片2，清洗之后放入直径为15mm长度为15～25cm的石英玻璃管中，然后利用抽真空装置将石英玻璃管中的空气用氩气置换三次，保证石英玻璃管中的空气都被排出去，再向石英玻璃管中通入氩气，最后利用氧炔焰熔断石英玻璃管起到密封的作用；

2)将步骤1)中获得的封装好的含有SrTiO₃单晶片2石英玻璃管放入恒温井式炉中加热，井式炉中的温度为1000℃。退火完成后直接取出石英玻璃管，置于空气中急剧冷却。待冷却至室温后敲碎石英玻璃管就可以取出高温退火后的SrTiO₃单晶片2；

3)将步骤2)中高温退火后的SrTiO₃单晶片2放入真空镀膜机中，真空度为10^-5Pa，镀上金电极1，取出后再在SrTiO₃单晶片2的另一面滴上银胶，银胶中的溶剂挥发后成为银电极3，SrTiO₃单晶电阻开关器件制备完成；

4)将步骤3)制备好的SrTiO₃单晶片的器件放入Keithley 4200半导体测试系统中测试，测试系统的两个电极分别扎在金电极1和银电极3上面，在两电极上加上电压测试，发现退火后的SrTiO₃单晶片呈现出良好的电阻开关性质。

以下给出具体实施例：

一种高温退火后的SrTiO₃单晶电阻开关器件的制备方法具体步骤为：

1)采用购买的完好未掺杂的SrTiO₃单晶片2，清洗之后放入直径为15mm长度为15～25cm的石英玻璃管中，然后利用抽真空装置将石英玻璃管中的空气用氩气置换三次，保证石英玻璃管中的空气都被排出去。在充入约为10^-4Pa的氩气，这个主要是为了保证加热时石英玻璃管内外压强差大致相当，不会因压强差太大而爆破。最后利用氧炔焰熔断石英玻璃管起到密封的作用；

2)将步骤1)中获得的封装好的含有SrTiO₃单晶片2石英玻璃管放入恒温的井式炉中加热，井式炉中的温度为1000℃，加热时间为24h。退火完成后直接取出石英玻璃管，置于空气中急剧冷却。待冷却至室温后敲碎石英玻璃管就可以取出高温退火后的SrTiO₃单晶片2，此方法退火后的SrTiO₃单晶片2表面出现了丝状氧缺陷导电通道，如图2所示；

3)将步骤2)中高温退火后的SrTiO₃单晶片2放入真空镀膜机中，真空度为10^-5Pa，镀上金电极1，厚度为60nm，取出后再在SrTiO₃单晶片2的另一面滴上银胶，银胶中的溶剂挥发后成为银电极3，SrTiO₃单晶电阻开关器件制备完成；

4)将步骤3)制备好的SrTiO₃单晶片的器件放入Keithley4200半导体测试系统中测试，测试系统的两个电极分别扎在金电极1和银电极3上面，在两电极上加上5V的电压测试，发现退火后的SrTiO₃单晶片呈现出良好的电阻开关性质，其I-V曲线如图3所示。

本发明运用特殊的封装退火工艺，直接用完好未掺杂的SrTiO₃单晶片进行退火，且不需要进行电铸过程就可以产生电阻开关器件需要的丝状导电通道实现电阻开关性能。本发明中的电阻开关器件如图1所示，主要包括金电极1，退火后的SrTiO_3-δ单晶片2，银电极3，导线和探针4以及测试时的外加电压源5。高温退火后的SrTiO_3-δ单晶片的扫描电子显微镜表面图如图2所示，对应的电阻开关性能如图3所示。

Claims

1.SrTiO₃单晶电阻开关器件的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

2.如权利要求1所述SrTiO₃单晶电阻开关器件的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述置换是利用抽真空装置将石英玻璃管中的空气用氩气置换。

3.如权利要求1所述SrTiO₃单晶电阻开关器件的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述密封是用氧炔焰熔断石英玻璃管实现密封。

4.如权利要求1所述SrTiO₃单晶电阻开关器件的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述加热是在恒温井式炉中加热。

5.如权利要求1所述SrTiO₃单晶电阻开关器件的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述冷却是置于空气中冷却。

6.如权利要求1所述SrTiO₃单晶电阻开关器件的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述镀金电极是放入真空镀膜机中镀金电极。