CN116782756A - 一种光电忆阻器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光电忆阻器及其制备方法。该光电忆阻器是在(111)Nb:STO(掺铌钛酸锶)衬底上依次形成有LiNbO3(铌酸锂)阻变层和Pd上电极。该忆阻器的制备方法包括清洗、干燥衬底；在Nb:STO衬底上通过PLD(脉冲激光沉积)生长LiNbO3(LNO)阻变层；在LiNbO3阻变层上生长Pd上电极。本发明使用了LiNbO3薄膜作为忆阻器的阻变层，LiNbO3是一种重要的光电材料，因为其优良的压电、热释电、电磁、声光和非线性光学特性。这些特性使LiNbO3成为许多应用的一个很有前途的候选者。
Description
技术领域
本发明涉及储存器技术领域，具体地说是一种光电忆阻器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着数字通信在大数据以及物联网等领域的应用，推动了下一代存储设备的发展，集成电路工艺的尺寸已经深入到20纳米以下，传统的非挥发性存储器件已经接近物理极限，开发新一代非挥发性存储器件已成为各国科学家研究的热门领域。目前，非挥发性存储器件的主要类型有铁电存储器、磁性存储器、相变存储器和阻变式存储器。其中阻变式存储器因具有结构简单、操作速度快、可缩放性好、耐受性好，且功耗低，读写速度快，数据保持能力好，制作简单，易于集成等优点而被广泛认为是下一代非易失性存储器的有力竞争者之一，是极具应用前景的新一代存储器。
最早观察到的阻变效应可追溯到1962年，随后，更多的材料被证实具有阻变性能。2002年，Zhuang等首次通过互补金属氧化物半导体工艺制备了64位阻变式存储器阵列。2005年，Baek等成功演示了二元过渡金属氧化物阻变式存储器，由此引发了对阻变式存储器的广泛研究。2008年后，阻变式存储器又被称为忆阻器，被认为是除了电阻、电容、电感之外的第四类基本无源电路元件，还被应用于人工突触、逻辑运算等新兴领域。忆阻器的一般结构是典型的三明治结构，有上下电极和设置在上下电极之间能够产生阻变现象的变阻材料。在外加偏压的作用下，会使器件的电阻状态发生高低阻态的转变，从而实现0和1的存储。对于忆阻器而言，选择不同的阻变层材料对于器件而言会产生较大影响，可以说阻变层材料是忆阻器的核心。
科学研究表明，能够作为阻变层的材料种类繁多，目前主要有四大类。一是过度金属氧化物，过渡金属二元氧化物具有成分简单、成本低廉、易于制备、制造与CMOS工艺相兼容等优点。二是固态电解质，这类忆阻器具有典型的三明治结构，包括电化学活性电极(Ag、Cu等)、电化学惰性电极(W、Pt等)和固态电解质材料构成的阻变功能层。它们的阻变特性是由于活性金属电极材料发生电化学反应所产生的金属阳离子在电场作用下迁移而引起的金属导电细丝的形成与断裂所导致。三是有机材料，目前有机材料制作简单，成本低廉，利用有机材料的双稳态特性制作忆阻器的研究较为广泛。有机材料最大的优势在于种类繁多，可选择的余地大。最后是钙钛矿氧化物。钙钛矿材料具有易于制备、较长的载流子扩散长度、较低的结合能、优良的电学性质和加工性能，非常适合用于忆阻器的阻变层材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种光电忆阻器及其制备方法，以提供一种新的阻值变化稳定、存储性能好、记忆特性好、抗疲劳耐久性好、读、写、擦除等操作速度快的高性能非易失性忆阻器。
本发明是这样实现的：
一种光电忆阻器，其是在Nb:STO衬底上依次形成有LiNbO3阻变层和Pd上电极。Nb:STO衬底为(111)晶面结构。
本发明提供的光电忆阻器中所述的LiNbO3阻变层厚度为100nm，溅射时间为60min。
本发明提供的光电忆阻器中Pd上电极厚度为40nm，溅射时间为10min。
本发明还公开了一种光电忆阻器的制备方法，包括以下步骤：
(a)对Nb:STO衬底进行预处理；
(b)采用PLD(脉冲激光沉积)在Nb:STO衬底上生长LiNbO3阻变层；
(c)在LiNbO3阻变层上制备Pd上电极。
优选的，步骤(a)具体是：将Nb:STO衬底先放入丙酮溶液中超声波清洗10min，去除其表面的污渍，再放入酒精溶液中超声波清洗10min，取出后用高纯氮气吹干备用。
优选的，步骤(b)具体是：准备好处理后的Nb:STO衬底，将其通过银胶带黏在基片托上，放入PLD仪器的腔体中，将腔体中气压抽到5×10-4Pa，再向其中充入氧气，使其气压保持在7.6Pa，温度保持在550℃，激光能量为230mJ，形成LiNbO3阻变层。在腔体中，在流动的氧气氛围、开始退火，每分钟降5℃。
优选的，步骤(c)具体是：在形成LiNbO3阻变层的衬底上放置掩膜版，将腔体抽真空至2×10-4Pa，向腔体内通入流量为25sccm的Ar气，调整接口阀使腔体内的压强维持1Pa，打开控制Pd靶材起辉的直流源，调整交流源功率为10W，使Pd靶材起辉，预溅射1min；之后正式溅射，在LiNbO3阻变层上形成Pd上电极。
本发明提供的制备方法中步骤(b)所述的退火是指在550℃的环境下真空退火，退火时间每分钟降5℃。
本发明提供的制备方法中步骤(c)所述的掩膜版上均布有直径为100～120μm的圆形孔。
本发明提供的制备方法中步骤(c)所述的Pd上电极厚度为40nm，溅射时间为10min。
本发明所提供的光电忆阻器的制备方法，首先对Nb:STO衬底进行处理，然后采用脉冲激光沉积在Nb:STO衬底上生长了LiNbO3阻变层，最后在LiNbO3阻变层上磁控溅射生长了Pd上电极。
本发明提供的制备方法简单易行、操作性好，制备的忆阻器通过性能检测证明其具有良好的阻变特性，呈现出较为稳定的阻值变化，其进行电学测试时显示电流数量级较小，实现器件的低功耗。而且该忆阻器在高阻态和低阻态下的抗疲劳特性均比较优异。
总之，本发明提供的忆阻器使用了LiNbO3薄膜作为阻变层，LiNbO3具有较高的剩余极化强度、较小的矫顽电场，将其用于制备光电忆阻器，性能表现良好，是一种存储性能更为稳定、耐久性强、应用前景更为广阔的材料。
附图说明
图1为本发明实施例1所提供的光电忆阻器的结构示意图。
图2为本发明实施例2所制备的忆阻器的Nb:STO/LiNbO3异质结的XRD图谱。
图3为本发明实施例2所制备的忆阻器Pd/LiNbO3/Nb:STO在-2V到7V电压下的I-V图。
图4为本发明实施例2所制备的忆阻器Pd/LiNbO3/Nb:STO在-2V到2V电压下的I-V图。
具体实施方式
下面实施例用于进一步详细说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。
实施例1，一种光电忆阻器。
本发明所提供的光电忆阻器的结构如图1所示，其结构包括最底层的衬底Nb:STO(掺铌钛酸锶)，Nb:STO为(111)晶面结构；衬底Nb:STO上生长LiNbO3(铌酸锂)阻变层，LiNbO3阻变层上生长Pd上电极。
其中，LiNbO3阻变层的厚度为100nm，Pd上电极的厚度为40nm，Pd上电极的直径为100-120μm。
实施例2，一种光电忆阻器的制备方法。
本发明所提供的光电忆阻器的制备方法包括如下步骤：
(1)将衬底Nb:STO先放入丙酮溶液中超声波清洗10min，去除其表面的污渍，再放入酒精溶液中超声波清洗10min，取出后用高纯氮气吹干备用。
(2)采用银胶将衬底Nb:STO粘在加热器托盘上。
(3)将粘好衬底的加热器托盘放入PLD仪器的腔体中。关好腔体的密封门后，打开机械泵，随后缓慢打开旁抽阀，待腔体内压强降到5Pa以下后，关闭旁抽阀。打开分子泵启动开关，之后缓慢打开前级阀、闸板阀，直至压强抽到5×10-4Pa。调节闸板阀至微开状态，将50sccm流量的氧气注入腔体中，调节闸板阀使腔体内压强稳定在7.6Pa。调节升温程序以20℃/min的速率升至550℃，为了去除靶材表面污染物，在正式沉积厚的LiNbO3薄膜之前，先进行10min的预沉积。之后溅射60min，生成100nm厚的LiNbO3薄膜。薄膜沉积完成后，关闭分子泵阀门和分子泵开关，向腔体中充入氧气使气压到5×10-4Pa，然后设置降温速率为5℃/min，降至室温。
(4)在形成LiNbO3薄膜阻变层的衬底上放置掩膜版，掩膜版上均布有直径为100～120μm的圆形孔。将腔体抽真空至5×10-4Pa，向腔体内通入流量为25sccm的Ar气，调整接口阀使腔体内的压强维持1Pa，打开控制Pd靶材起辉的交流源，调整直流源功率为10W，使Pd靶材起辉，预溅射1min；之后正式溅射10min，在LiNbO3阻变层上形成厚度为40nm的Pd上电极。
本发明制备的忆阻器的结构可表示为Pd/LiNbO3/Nb:STO，该器件是光电忆阻器件，关键点是在衬底Nb:STO上通过脉冲激光沉积得到了LiNbO3的阻变层。
以上所述的实施方式是本发明所保护的制备方法中的任意一个实施例，其只要在权利要求及说明书中所描述的工艺参数的范围(如衬底为Nb:STO衬底、其脉冲激光沉积的腔体真空度、射频源功率、预溅射时间及正式溅射时间等)内均可获得本发明实施例1所要保护的忆阻器，且所制备的忆阻器与本实施例制备的器件具有基本类似的性能。
性能测试
如图2所示，图2是实施例2所制备的忆阻器的LiNbO3/Nb:STO的XRD图谱。从图2中可以看出，30～50°扫描范围内依次出现了2个特征峰，LiNbO3(0006)和Nb:STO(111)，表明通过脉冲激光沉积法在衬底Nb:STO上550℃温度下生长LiNbO3薄膜，实现了择优生长。
如图3所示，图3是实施例2所制备的忆阻器Pd/LiNbO3/Nb:STO在-2V到7V电压下的I-V图，从图3中可以看出，刚开始施加一个较大的电压，该器件进行一个forming的过程。
如图4所示，图4是实施例2所制备的忆阻器Pd/LiNbO3/Nb:STO在-2V到2V电压下的I-V图，从图4中可以看出，该器件经过一个forming的过程后，再施加小电压并能维持下去，说明该器件的稳定性较好。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种光电忆阻器，其特征是，在Nb:STO衬底上依次生长有LiNbO3阻变层和Pd上电极。
2.根据权利要求1所述的光电忆阻器，其特征是，所述Nb:STO衬底为(111)晶面结构。
3.根据权利要求1所述的光电忆阻器，其特征是，LiNbO3阻变层的厚度为100nm，Pd上电极的厚度为40nm。
4.一种光电忆阻器的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
(1)对Nb:STO衬底进行预处理；
(2)采用脉冲激光沉积法在Nb:STO衬底上生长LiNbO3阻变层；
(3)在LiNbO3阻变层上制备Pd上电极。
5.根据权利要求4所述的光电忆阻器的制备方法，其特征是，步骤(2)具体是：准备好处理好的Nb:STO衬底，将其通过银胶带黏在基片托上，放入PLD仪器的腔体中，将腔体中气压抽到5×10-4Pa，再向其中充入氧气，使其气压保持在7.6Pa，温度保持在550℃，激光能量为230mJ，形成LiNbO3阻变层；之后进行高温退火。
6.根据权利要求5所述的光电忆阻器的制备方法，其特征是，所述高温退火具体是：在腔体中，在流动的氧气氛围开始退火，每分钟降5℃。
7.根据权利要求4所述的光电忆阻器的制备方法，其特征是，步骤(3)中制备Pd上电极时，首先在形成LiNbO3阻变层的衬底上放置掩膜版，掩膜版上均布有直径为100～120μm的圆形孔；之后抽真空，向腔体内通入Ar气，调整压强、直流源功率，在LiNbO3阻变层上形成Pd上电极。
8.根据权利要求7所述的光电忆阻器的制备方法，其特征是，步骤(3)中，Pd上电极的溅射时间为10min，厚度为40nm。
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