CN116847660A - 一种铁电材料、铁电存储单元、存储器及电子设备 - Google Patents

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CN116847660A CN202210284945.5A CN202210284945A CN116847660A CN 116847660 A CN116847660 A CN 116847660A CN 202210284945 A CN202210284945 A CN 202210284945A CN 116847660 A CN116847660 A CN 116847660A
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Abstract

本申请公开了一种铁电材料、铁电存储单元、存储器及电子设备，其中，该铁电存储单元包括相对设置的第一电极和第二电极，以及位于第一电极和第二电极之间的铁电层，铁电层包括层叠设置的HfO2基铁电材料层和具有层状结构的氧化物材料层。从而利用氧化物材料的层状结构使氧化物材料层的晶格间距变大，使氧离子更加容易在材料中移动，从而氧离子更容易进入HfO2基铁电材料中，这样不仅可以在铁电存储单元初始状态下降低界面氧空位对铁电畴的钉扎作用、降低唤醒效应；在极化翻转过程中，氧空位在迁移过程中更容易转移到层状结构中而不会在HfO2基铁电材料中反复迁移造成疲劳甚至形成导电通路使整个器件击穿。

Description

一种铁电材料、铁电存储单元、存储器及电子设备
技术领域
本申请涉及存储技术领域，尤其涉及一种铁电材料、铁电存储单元、存储器及电子设备。
背景技术
大数据、互联网及物联网的飞速发展产生了海量数据，进而对数据存储器件的性能提出了更高的要求。在冯诺依曼架构下，计算机中的存储器可分为与计算单元频繁交换数据的内存(例如动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM))和远离计算单元的外部存储(例如NAND闪存)。DRAM具有高速读写的特点，但为易失性且需要频繁刷写来保持数据。NAND闪存虽然具有非易失性，但读写速度低，可擦写次数低。因此，在当前背景下，寻找同时具有非易失、高读写速度、低功耗的新型存储器件十分迫切且至关重要。
铁电随机存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FeRAM)作为一种新型的存储器件，其核心是由金属-铁电材料-金属组成的一个金属(metal)-绝缘体(insulator)-金属(metal)的MIM电容器结构，其原理是利用铁电材料电极化的取向可以被外电场改变的物理现象。当铁电材料作为MFM电容器的绝缘介质材料，由于内部电偶极子的取向会受电场影响而改变，进而会引起电容充放电，在感测放大器的作用下，这些微观物理现象能被识别从而实现“0”或“1”的存储状态。由于FeRAM在外加电场撤去后极化状态仍能保持，因此FeRARM具有非易失的特点。此外，铁电极化翻转主要来源于离子位移，由于翻转速度快且产生焦耳热较小，还具有读写速度快和低功耗的优势。
对于FeRAM中的铁电材料，目前主要采用的锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅(PbTiO3)的混合物Pb(Zr，Ti)O3、钛酸钡(BaTiO3)等钙钛矿结构材料。但由于临界厚度的存在，这类铁电材料需要在一定厚度之上才能展现较稳定的铁电性，因此无法在先进制程的器件中使用，严重限制了其进一步的发展及应用。掺杂锆(Zr)元素的氧化铪(HfO2)(即铪锆氧(HZO))基材料自从被发现具有铁电性以来就受到广泛关注，其铁电性来源于晶格中氧离子的定向位移。此外，因为HZO基的铁电材料与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)工艺兼容且铁电性在10nm下仍能保持，所以有望运用在新型存储器件中并取代DRAM，实现高密度、高速和低功耗。
但是HZO基的铁电材料仍有若干不足，需要进一步改善来提升其耐久性，特别是金属电极和铁电材料界面的缺陷，例如氧空位，会导致HZO基铁电材料中的觉醒、疲劳和击穿效应。这是因为制备过程中存在于金属电极和铁电材料界面的氧空位对铁电畴具有钉扎作用，抑制初始剩余极化强度Pr。氧空位的钉扎效应随着翻转次数增多而减弱，因此极化强度Pr逐渐增大。进一步进行极化翻转时，氧空位会促使非铁电相(M相)转换为铁电相(O相)，极化强度Pr进一步增大。但极化翻转过程中HZO中的氧离子逐渐脱出聚集在界面，使极化强度Pr开始降低，即疲劳效应。最后大量的氧空位形成导电通道导致器件击穿。因此，如何降低氧空位浓度是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种铁电材料、铁电存储单元、存储器及电子设备，用于降低铁电存储单元中的氧空位浓度。
第一方面，本申请提供的一种铁电存储单元，包括相对设置的第一电极和第二电极，以及位于第一电极和第二电极之间的铁电层，铁电层可以包括层叠设置的HfO2基铁电材料层和具有层状结构的氧化物材料层。利用氧化物材料的层状结构使氧化物材料层032的晶格间距变大，使氧离子更加容易在材料中移动，从而氧离子更容易进入HfO2基铁电材料中，这样不仅可以在铁电存储单元初始状态下降低界面氧空位对铁电畴的钉扎作用、降低唤醒效应；在极化翻转过程中，氧空位在迁移过程中更容易转移到层状结构中而不会在HfO2基铁电材料中反复迁移造成疲劳甚至形成导电通路使整个器件击穿。因此，本申请提供的铁电存储单元利用铁电层中的层状结构可以有效降低铁电层内部的氧空位浓度，从而减小氧空位积累形成导电通路的可能性，有效调控铁电层的氧空位，进而减弱氧空位对觉醒、疲劳和击穿的负面影响，最终达到提高器件电性能和耐久性的目的。
在本申请中，HfO2基铁电材料包括但不限于在HfO2材料中掺杂锆(Zr)、硅(Si)、镧(La)、钇(Y)、锶(Sr)、钆(Gd)和铝(Al)中至少一种元素。
在具体实施时，第一电极、铁电层和第二电极沿垂直方向层叠设置，即第一电极可以为底电极，第二电极为顶电极。或者，第一电极、铁电层和第二电极也可以沿水平方向并排设置，当然也可以是第一电极、铁电层和第二电极由内向外依次环绕设置，即铁电层环绕第一电极设计，第二电极环绕铁电层设置，在此不作限定。
需要说明的是，本申请中，层叠设置的HfO2基铁电材料层和具有层状结构的氧化物材料层是指沿第一电极指向第二电极方向层叠设置，例如第一电极指向第二电极的方向为垂直方向，HfO2基铁电材料层和具有层状结构的氧化物材料层则沿垂直方向层叠，例如第一电极指向第二电极的方向为水平方向，HfO2基铁电材料层和具有层状结构的氧化物材料层则沿水平方向层叠。
在具体实施时，本申请对第一电极和第二电极的材料不作限定，可以是导电氮化物材料，例如氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)等，也可以是金属材料，例如钨(W)、钌(Ru)、钼(Mo)、铱(Ir)、镍(Ni)、铂(Pt)等，还可以是导电金属氧化物材料，例如氧化钌(RuO)、氧化铱(IrO)、氧化铟锡(ITO)、掺铌钛酸锶(Nb-STO)、镧锶锰氧((LaSr)MnO3)等。
在具体实施时，该氧化物材料层可以位于第一电极与HfO2基铁电材料层之间，或者，氧化物材料层也可以位于第二电极与HfO2基铁电材料层之间，或者，氧化物材料层位于第一电极与HfO2基铁电材料层之间以及位于第二电极与HfO2基铁电材料层之间，这样有利于降低第一电极和/或第二电极与铁电层界面的氧空位。或者，氧化物材料层也可以位于HfO2基铁电材料层之间，这样有利于降低铁电层内部的氧空位。
当然，在本申请中，当在第一电极和/或第二电极与HfO2基铁电材料层之间设置氧化物材料层时，还可以在HfO2基铁电材料层之间氧化物材料层。例如，第一电极与HfO2基铁电材料层之间有氧化物材料层，在第二电极与HfO2基铁电材料层之间有氧化物材料层，在HfO2基铁电材料层之间有氧化物材料层。
在具体实施，在本申请中，当在HfO2基铁电材料层之间设置氧化物材料层时，对氧化物材料层的层数不作限定，可以仅设置一层氧化物材料层，当然也可以设置多层氧化物材料层，例如，可以在HfO2基铁电材料层之间设置有两层氧化物材料层，在此不作限定。
在本申请中，具有层状结构的氧化物材料层主要由A的氧化物(AOx)单原子层和含A和B的钙钛矿结构层交替层叠组成，其中，A和B均为金属元素，含A和B的钙钛矿结构层的化学式主要是ABO3。在氧化物材料层中，由于单原子层的AOx具有电中性，因此可自我调节离子价态达到中和空间电荷或氧空位等带电缺陷的目的。此外，AOx单原子层可以使钙钛矿结构层之间的层间晶格间距变大，从而使氧离子更加容易在材料中移动，所以其中的氧离子更容易进入与电极之间的界面或HfO2基铁电材料层中，这样不仅可以在铁电存储单元的初始状态下降低界面氧空位对铁电畴的钉扎作用、降低唤醒效应；而且在极化翻转过程中，由于氧化物材料层中氧离子活性更高，氧空位在迁移过程中更容易转移到氧化物材料层中而不会在HfO2基铁电材料层中反复迁移造成疲劳甚至形成导电通路使整个器件击穿。
考虑到Bi的氧化物具有优异的调控缺陷的能力，因此，可选的，在本申请中A为Bi元素。在具体实施时，含Bi的氧化物材料层可以采用原子层沉积(Atomic layerdeposition，ALD)法进行制备，可以融合到现有的工艺中，有利于推广和应用。
示例性的，在本申请中AOx可以为Bi2O2-x，0≤x＜2，例如Bi2O2、Bi2O1.5、Bi2O1、Bi2O0.5等。
进一步，在本申请中，具有层状结构的氧化物材料层中氧化物材料的化学式可以为Bi2WO6、Bi2Ti3O12或CaBi4Ti4O12等，在此不作限定。
在另一种可行的实施方式中，具有层状结构的氧化物材料层可以包括具有Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物。其中，具有Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物主要由二维类钙钛矿层与阳离子交错组成。而具有Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物的通式一般为An+1BnX3n+1，其中A和B为阳离子，X为阴离子，n为二维类钙钛矿层中八面体层的数量。通常Ruddlesden-Popper相结构是由钙钛矿型结构和NaCl型结构共生形成的相结构。
示例性的，A和B为过渡金属元素，X为氧离子。由于Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物的层状性质，二维类钙钛矿层之间的氧离子容易移动。并且，由于具有可变价态的过渡金属离子，当存在氧空位时可以通过调控金属离子价态将其中和。因此，具有Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物可以为铁电层提供充足的氧离子来降低氧空位浓度，进而减弱氧空位对觉醒、疲劳和击穿的负面影响，最终达到提高器件电性能和耐久性的目的。
在一种实施例中，在具有Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物中，A可以为Sr，B可以为Ru，X为O，当n＝1时，具有Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物的化学式为Sr2Ru1O4，当n＝2时，具有Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物的化学式为Sr3Ru2O7。
在又一种可行的实施方式中，铁电层包括具有层状结构的HfO2基铁电材料。示例性的，具有层状结构的HfO2基铁电材料可以由HfO2基铁电材料晶胞层和含Bi氧化物的原子层交替层叠组成。在具体实施时，在制备HfO2基铁电材料薄膜时，可以在每形成一层HfO2基铁电材料晶胞层后插入一个原子层的含Bi氧化物层，从而形成具有层状结构的HfO2基铁电材料。由于含Bi层状结构氧化物的存在，可以有效地降低铁电层中的氧空位浓度，进而减弱氧空位对觉醒、疲劳和击穿的负面影响，最终达到提高器件电性能和耐久性的目的。
在本申请中，含Bi氧化物中还可以掺杂有其它金属元素，在此不作限定。示例性的，本申请中含Bi氧化物为Bi2O2-x，0≤x＜2，例如Bi2O2、Bi2O1.5、Bi2O1、Bi2O0.5等。
第二方面，本申请实施例还提供了一种铁电材料，该铁电材料主要由HfO2基铁电材料晶胞层和含Bi氧化物的原子层交替层叠组成。在具体实施时，在制备HfO2基铁电材料薄膜时，可以在每形成一层HfO2基铁电材料晶胞层后插入一个原子层的含Bi氧化物层，从而形成具有层状结构的HfO2基铁电材料。由于含Bi层状结构氧化物的存在，可以有效地降低铁电层03中的氧空位浓度，进而减弱氧空位对觉醒、疲劳和击穿的负面影响，最终达到提高器件电性能和耐久性的目的。
示例性的，该含Bi氧化物为Bi2O2-x，0≤x＜2，例如Bi2O2、Bi2O1.5、Bi2O1、Bi2O0.5等。利用ALD技术能够精确控制原子层级别生长的优点，将Bi2O2层插入HfO2基铁电材料薄膜中构建人工层状结构。在具体实施时，在制备时，可以在每形成一层HfO2基铁电材料晶胞层后插入一个原子层的含Bi氧化物层，从而形成具有层状结构的HfO2基铁电材料。
第三方面，本申请实施例还提供的一种铁电存储单元，该铁电存储单元包括相对设置的第一电极和第二电极，以及位于第一电极和第二电极之间的铁电层；铁电层主要由第一方面或第一方面的各种实施方式所述的铁电材料形成。该铁电层可以包括交替层叠的HfO2基铁电材料晶胞层和含Bi氧化物的原子层。在该铁电存储单元中，交替层叠的HfO2基铁电材料晶胞层和含Bi氧化物的原子层形成为具有层状结构的HfO2基铁电材料。由于含Bi层状结构氧化物的存在，因此可以有效地降低铁电层中的氧空位浓度，进而减弱氧空位对觉醒、疲劳和击穿的负面影响，最终达到提高器件电性能和耐久性的目的。
第四方面，本申请实施例还提供了一种存储器，包括控制电路和多个如第一方面或第一方面的各种实施方式所述的铁电存储单元，或者，包括控制电路和多个如第三方面或第三方面的各种实施方式所述的铁电存储单元。该控制电路与各铁电存储单元电连接。具体地，可以通过控制电路向铁电存储单元的第一电极和第二电极施加电压，以控制铁电存储单元实现读写操作。
第五方面，本申请实施例还提供了一种电子设备，包括处理器，以及与该处理器耦合的、如第四方面的实施方式所提供的存储器。该电子设备可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴设备、车载设备等电子设备，当然也可以是其他电子设备，在此不作限定。
上述第四方面和第五方面可以达到的技术效果可以参照上述第一方面至第三方面中任一可能设计可以达到的技术效果说明，这里不再重复赘述。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种铁电存储单元的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种铁电存储单元的剖面结构示意图；
图3为本申请实施例提供的另一种铁电存储单元的剖面结构示意图；
图4为本申请实施例提供的又一种铁电存储单元的剖面结构示意图；
图5为本申请实施例提供的又一种铁电存储单元的剖面结构示意图；
图6为本申请实施例提供的又一种铁电存储单元的剖面结构示意图；
图7为本申请实施例提供的又一种铁电存储单元的剖面结构示意图；
图8为本申请实施例提供的一种具有层状结构的氧化物材料的晶体结构示意图；
图9为本申请实施例提供的另一种具有层状结构的氧化物材料的晶体结构示意图；
图10为本申请实施例提供的又一种具有层状结构的氧化物材料的晶体结构示意图；
图11为本申请实施例提供的一种具有Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物的晶体结构示意图；
图12为本申请实施例提供的另一种具有Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物的晶体结构示意图；
图13为本申请实施例提供的又一种铁电存储单元的剖面结构示意图。
附图标记说明：
01 第一电极；
02 第二电极；
03 铁电层；
031 HfO2基铁电材料层；
032 氧化物材料层；
033 HfO2基铁电材料晶胞层；
034 含Bi氧化物的原子层。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。
应注意的是，在本说明书中，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。本申请中所描述的表达位置与方向的词，均是以附图为例进行的说明，但根据需要也可以做出改变，所做改变均包含在本发明保护范围内。本申请的附图仅用于示意相对位置关系不代表真实比例。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
为了方便理解本申请实施例提供的技术方案，下面介绍一下其应用场景。存储单元是存储器中具有数据存储和读写功能的最小单元，可以用于存储一个最小信息单位，即1比特数据(例如0或1)，也就是一个二进制位。通过多个存储单元，可以实现多个二进制位数据的存储。具体地，本申请实施例中，一个存储单元用于存储一个二进制位。本申请提供的存储器可用于手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴设备、车载设备等电子设备中的数据存储，当然也可以应用于其他电子设备，在此不作限定。
下面结合附图来说明本申请技术方案中的铁电材料、铁电存储单元、存储器及电子设备。
参见图1，图1为本申请实施例提供的一种铁电存储单元的结构示意图。如图1所示，铁电存储单元包括相对设置的第一电极01和第二电极02，以及位于第一电极01和第二电极02之间的铁电层03。
示例性的，如图2至图5所示，铁电层03可以包括层叠设置的HfO2基铁电材料层031和具有层状结构的氧化物材料层032。利用氧化物材料的层状结构使氧化物材料层032的晶格间距变大，使氧离子更加容易在材料中移动，从而氧离子更容易进入HfO2基铁电材料中，这样不仅可以在铁电存储单元初始状态下降低界面氧空位对铁电畴的钉扎作用、降低唤醒效应；在极化翻转过程中，氧空位在迁移过程中更容易转移到层状结构中而不会在HfO2基铁电材料中反复迁移造成疲劳甚至形成导电通路使整个器件击穿。因此，本申请提供的铁电存储单元利用铁电层中的层状结构可以有效降低铁电层内部的氧空位浓度，从而减小氧空位积累形成导电通路的可能性，有效调控铁电层的氧空位，进而减弱氧空位对觉醒、疲劳和击穿的负面影响，最终达到提高器件电性能和耐久性的目的。
在本申请中，HfO2基铁电材料包括但不限于在HfO2材料中掺杂锆(Zr)、硅(Si)、镧(La)、钇(Y)、锶(Sr)、钆(Gd)和铝(Al)中至少一种元素。
在具体实施时，第一电极、铁电层和第二电极沿垂直方向层叠设置，即第一电极可以为底电极，第二电极为顶电极。或者，第一电极、铁电层和第二电极也可以沿水平方向并排设置，当然也可以是第一电极、铁电层和第二电极由内向外依次环绕设置，即铁电层环绕第一电极设计，第二电极环绕铁电层设置，在此不作限定。
需要说明的是，本申请中，层叠设置的HfO2基铁电材料层和具有层状结构的氧化物材料层是指沿第一电极指向第二电极方向层叠设置，例如第一电极指向第二电极的方向为垂直方向，HfO2基铁电材料层和具有层状结构的氧化物材料层则沿垂直方向层叠，例如第一电极指向第二电极的方向为水平方向，HfO2基铁电材料层和具有层状结构的氧化物材料层则沿水平方向层叠。
进一步地，本申请中的铁电存储单适合任意电极组合的MIM电容器结构，第一电极和第二电极可以是对称设置，第一电极和第二电极也可以是不对称的设置，在此不作限定。
在具体实施时，本申请对第一电极和第二电极的材料不作限定，可以是导电氮化物材料，例如氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)等，也可以是金属材料，例如钨(W)、钌(Ru)、钼(Mo)、铱(Ir)、镍(Ni)、铂(Pt)等，还可以是导电金属氧化物材料，例如氧化钌(RuO)、氧化铱(IrO)、氧化铟锡(ITO)、掺铌钛酸锶(Nb-STO)、镧锶锰氧((LaSr)MnO3)等。
在具体实施时，如图2所示，该氧化物材料层032可以位于第一电极01与HfO2基铁电材料层031之间，或者，如图3所示，氧化物材料层032也可以位于第二电极02与HfO2基铁电材料层031之间，或者，如图4所示，氧化物材料层032位于第一电极01与HfO2基铁电材料层031之间以及位于第二电极02与HfO2基铁电材料层031之间，这样有利于降低第一电极和/或第二电极与铁电层界面的氧空位。或者，如图5所示，氧化物材料层032也可以位于HfO2基铁电材料层031之间，这样有利于降低铁电层03内部的氧空位。
当然，在本申请中，也可以将图5与图2至图4中任一种结合，即在图2至图4的任一结构的基础上，还在HfO2基铁电材料层031之间设置氧化物材料层032。例如图6所示，第一电极01与HfO2基铁电材料层031之间有氧化物材料层032，在第二电极02与HfO2基铁电材料层031之间有氧化物材料层032，在HfO2基铁电材料层031之间有氧化物材料层032。
在具体实施，在本申请中，当在HfO2基铁电材料层031之间设置氧化物材料层032时，对氧化物材料层032的层数不作限定，如图5所示，可以仅设置一层氧化物材料层032，当然也可以设置多层氧化物材料层032，例如图7所示，在HfO2基铁电材料层031之间设置有两层氧化物材料层032，在此不作限定。
在本申请中，具有层状结构的氧化物材料层可以包括交替层叠的A的氧化物(AOx)单原子层和含A和B的钙钛矿结构层，其中，A和B为金属元素，含A和B的钙钛矿结构层的化学式主要是ABO3。在氧化物材料层中，由于单原子层的AOx具有电中性，因此可自我调节离子价态达到中和空间电荷或氧空位等带电缺陷的目的。此外，AOx单原子层可以使钙钛矿结构层之间的层间晶格间距变大，从而使氧离子更加容易在材料中移动，所以其中的氧离子更容易进入与电极之间的界面或HfO2基铁电材料层031中，这样不仅可以在铁电存储单元的初始状态下降低界面氧空位对铁电畴的钉扎作用、降低唤醒效应；而且在极化翻转过程中，由于氧化物材料层中氧离子活性更高，氧空位在迁移过程中更容易转移到氧化物材料层中而不会在HfO2基铁电材料层031中反复迁移造成疲劳甚至形成导电通路使整个器件击穿。
考虑到Bi的氧化物具有优异的调控缺陷的能力，因此，可选的，在本申请中A为Bi元素。在具体实施时，含Bi的氧化物材料层可以采用原子层沉积(Atomic layerdeposition，ALD)法进行制备，可以融合到现有的工艺中，有利于推广和应用。
示例性的，在本申请中AOx可以为Bi2O2-x，0≤x＜2，例如Bi2O2、Bi2O1.5、Bi2O1、Bi2O0.5等。
进一步，在本申请中，具有层状结构的氧化物材料层中氧化物材料的化学式可以为Bi2WO6、Bi2Ti3O12或CaBi4Ti4O12等，在此不作限定。
示例性的，Bi2WO6的晶体结构示意图如图8所示，Bi2Ti3O12的晶体结构示意图如图9所示，CaBi4Ti4O12的晶体结构示意图如图10所示。由图8至图10可以看出，Bi2O2单原子层可以使钙钛矿结构层之间的层间晶格间距变大，从而使氧离子更加容易在材料中移动，所以其中的氧离子更容易进入与电极之间的界面或HfO2基铁电材料层031中，达到补偿其中氧空位的目的。
在另一种可行的实施方式中，具有层状结构的氧化物材料层可以包括具有Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物。其中，具有Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物主要由二维类钙钛矿层与阳离子交错组成。而具有Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物的通式一般为An+1BnX3n+1，其中A和B为阳离子，X为阴离子，n为二维类钙钛矿层中八面体层的数量。通常Ruddlesden-Popper相结构是由钙钛矿型结构和NaCl型结构共生形成的相结构。
示例性的，A和B为过渡金属元素，X为氧离子。由于Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物的层状性质，二维类钙钛矿层之间的氧离子容易移动。并且，由于具有可变价态的过渡金属离子，当存在氧空位时可以通过调控金属离子价态将其中和。因此，具有Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物可以为铁电层提供充足的氧离子来降低氧空位浓度，进而减弱氧空位对觉醒、疲劳和击穿的负面影响，最终达到提高器件电性能和耐久性的目的。
在一种实施例中，在具有Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物中，A可以为Sr，B可以为Ru，X为O。示例性的，当n＝1时，具有Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物的化学式为Sr2Ru1O4，Sr2Ru1O4的晶体结构示意图如图11所示。当n＝2时，具有Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物的化学式为Sr3Ru2O7，Sr3Ru2O7的晶体结构示意图如图12所示。由图11和图12可以看出，由于Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物的层状结构，因此二维类钙钛矿层之间的氧离子容易移动，氧离子更容易进入与电极之间的界面或HfO2基铁电材料层031中，从而达到补偿其中氧空位的目的。
基于同一技术构思，本申请还提供了一种具有层状结构的铁电材料，该铁电材料主要由HfO2基铁电材料晶胞层和含Bi氧化物的原子层交替层叠组成。在具体实施时，在制备HfO2基铁电材料薄膜时，可以在每形成一层HfO2基铁电材料晶胞层后插入一个原子层的含Bi氧化物层，从而形成具有层状结构的HfO2基铁电材料。由于含Bi层状结构氧化物的存在，可以有效地降低铁电层03中的氧空位浓度，进而减弱氧空位对觉醒、疲劳和击穿的负面影响，最终达到提高器件电性能和耐久性的目的。
示例性的，该含Bi氧化物为Bi2O2-x，0≤x＜2，例如Bi2O2、Bi2O1.5、Bi2O1、Bi2O0.5等。利用ALD技术能够精确控制原子层级别生长的优点，将Bi2O2层插入HfO2基铁电材料薄膜中构建人工层状结构。在具体实施时，在制备时，可以在每形成一层HfO2基铁电材料晶胞层后插入一个原子层的含Bi氧化物层，从而形成具有层状结构的HfO2基铁电材料。
相应地，本申请还提供了一种铁电存储单元，参见图13，该铁电存储单元包括相对设置的第一电极01和第二电极02，以及位于第一电极01和第二电极02之间的铁电层03；铁电层03主要由上述具有层状结构的铁电材料形成，该铁电层03可以包括交替层叠的HfO2基铁电材料晶胞层033和含Bi氧化物的原子层034。在该铁电存储单元中，交替层叠的HfO2基铁电材料晶胞层033和含Bi氧化物的原子层034形成为具有层状结构的HfO2基铁电材料。由于含Bi层状结构氧化物的存在，可以有效地降低铁电层03中的氧空位浓度，进而减弱氧空位对觉醒、疲劳和击穿的负面影响，最终达到提高器件电性能和耐久性的目的。
需要说明是，在该实施例中，该铁电层03中的HfO2基铁电材料晶胞层033和含Bi氧化物的原子层034可以沿第一电极指向第二电极方向层叠，具体可以是HfO2基铁电材料晶胞层033、含Bi氧化物的原子层034、HfO2基铁电材料晶胞层033、含Bi氧化物的原子层034、……，也可以是含Bi氧化物的原子层034、HfO2基铁电材料晶胞层033、含Bi氧化物的原子层034、HfO2基铁电材料晶胞层033、……，在此不作限定。
可以理解的是，图13所示的铁电存储单元与图2至图7所示铁电存储单元的主要区别在于铁电层的材料不相同，对于图13所示的铁电存储单元中第一电极、第二电极的实施可以参见上述图2至图7所示铁电存储单元的实施，在此不再赘述。
相应地，本申请还提供了一种存储器，包括多个铁电存储单元和与各铁电存储单元电连接的控制电路。具体地，可以通过控制电路向铁电存储单元的第一电极和第二电极施加电压，以控制铁电存储单元实现读写操作。该铁电存储单元可以是本申请上述任一种实施例提供的铁电存储单元。
相应地，本申请还提供了一种电子设备，包括处理器和与处理器耦合的存储器。该电子设备可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴设备、车载设备等电子设备，当然也可以是其他电子设备，在此不作限定。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种铁电存储单元，其特征在于，包括相对设置的第一电极和第二电极，以及位于所述第一电极和第二电极之间的铁电层；其中，
所述铁电层包括层叠设置的氧化铪基铁电材料层和具有层状结构的氧化物材料层。
2.如权利要求1所述的铁电存储单元，其特征在于，所述具有层状结构的氧化物材料层位于所述第一电极与所述氧化铪基铁电材料层之间，和/或位于所述第二电极与所述氧化铪基铁电材料层之间，和/或位于所述氧化铪基铁电材料层之间。
3.如权利要求2所述的铁电存储单元，其特征在于，所述具有层状结构的氧化物材料层包括交替层叠设置的A的氧化物单原子层和含A和B的钙钛矿结构层，其中，所述A和所述B均为金属元素。
4.如权利要求3所述的铁电存储单元，其特征在于，所述A为Bi元素。
5.如权利要求4所述的铁电存储单元，其特征在于，所述具有层状结构的氧化物材料层中氧化物材料的化学式为Bi2WO6、Bi2Ti3O12或CaBi4Ti4O12。
6.如权利要求1所述的铁电存储单元，其特征在于，所述具有层状结构的氧化物材料层包括具有Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物，其中，所述具有Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物主要由二维类钙钛矿层与阳离子交错组成。
7.如权利要求6所述的铁电存储单元，其特征在于，所述具有Ruddlesden-Popper相结构的层状氧化物的通式为An+1BnX3n+1，其中所述A和所述B为阳离子，所述X为阴离子，所述n为所述二维类钙钛矿层中八面体层的数量。
8.如权利要求7所述的铁电存储单元，其特征在于，所述A和所述B为过渡金属元素，所述X为氧元素。
9.一种铁电材料，其特征在于，所述铁电材料包括交替层叠的氧化铪基铁电材料晶胞层和含铋氧化物的原子层。
10.如权利要求9所述的铁电材料，其特征在于，所述含铋氧化物为Bi2O2-x，0≤x＜2。
11.一种铁电存储单元，其特征在于，包括相对设置的第一电极和第二电极，以及位于所述第一电极和第二电极之间的铁电层；其中，所述铁电层包括如权利要求9或10所述的铁电材料。
12.一种存储器，其特征在于，包括多个如权利要求1-8、11任一项所述的铁电存储单元和与各所述铁电存储单元电连接的控制电路。
13.一种电子设备，其特征在于，包括处理器，以及与所述处理器耦合的、如权利要求12所述的存储器。
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