基于铁电共存畴的多阻态铁电量子隧道结及制备方法技术

基于铁电共存畴的多阻态铁电量子隧道结及制备方法，属于电子技术领域。解决了现有磁性隧道结高能耗、读写速度慢、存储密度低的问题。本发明专利技术为由下至上依次排列的4层结构构成的隧道结，由下至上依次排列的4层结构分别为单晶衬底、底电极、铁电超薄绝缘层和顶电极；当铁电超薄绝缘层的厚度为2nm至5nm，铁电超薄绝缘层和单晶衬底之间的错配应变在共存相的相界处时，通过底电极和顶电极对铁电超薄绝缘层厚度方向上施加驱动电压，通过改变驱动电压大小，来改变铁电超薄绝缘层的极化状态，进而使铁电超薄绝缘层在不同驱动电压的驱动下分别获得3种不同隧穿电阻的畴结构状态。本发明专利技术主要应用在存储器上。

【技术实现步骤摘要】
基于铁电共存畴的多阻态铁电量子隧道结及制备方法
本专利技术属于电子

技术介绍
随着微纳器件及集成电路的发展及人们对小型化便携式电子产品的需求，小尺寸、高密度、低功耗的非易失性存储器件的市场需求越来越大。主要的非易失性存储器包括闪存(即常见的U盘中的存储方案)、铁电存储器和相变存储器等。由于这些存储器存在稳定性较低、功耗大、集成度低等一些问题使其无法满足未来需求。近年发展起来的铁电隧道结存储单元具有密度高、速度快等特点，可以使用6V的脉冲电压进行写入信息，用0.6V的小电压进行读取，获得大于100的电阻开关比。然而，6V电压相对于2nm的铁电薄膜依然存在电场击穿等问题。采用多畴共存状态的铁电薄膜，不仅可以实现小电场驱动的不同畴结构之间的翻转，而且畴结构尺寸会极大降低，因此，这类高密度、低能耗存储器件具有极大的应用前景。当前的隧道结广泛采用磁性材料/绝缘层/磁性材料，通过磁场调控两磁性材料的磁极化状态控制隧穿电流，其中绝缘层可以采用半导体材料代替来实现较高的电阻开关比，但这些技术需要较高的驱动外场，而且读写速度较低，不能满足目前对快速、高密度和低能耗的需求。铁电隧穿存储器最早由1971年L.Esaki等人提出[IBMTechn.Discl.Bull.13,2,2161(1971)]，但由于薄膜制备技术不成熟，这种技术未能得到实际应用。随着铁电薄膜制备水平的提高以及理论研究的深入，直到2009年才首次在铁电隧道结中获得较高的电阻开关效应。尽管目前铁电隧道结突破磁性隧道结的低速瓶颈，但也只能实现两种阻态的相互转换，而且由于铁电层在衬底夹持下需要很大的驱动电压。因此，亟需提供一种驱动电压低、读写速度快、可突破两种阻态限制的隧道结技术来满足目前人们对高密度和低能耗存储器件的需求。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有磁性隧道结高能耗、读写速度慢、存储密度低的问题，本专利技术提供一种基于铁电共存畴的多阻态铁电量子隧道结及制备方法。一种基于铁电共存畴的多阻态铁电量子隧道结，为由下至上依次排列的4层结构构成的隧道结，由下至上依次排列的4层结构分别为单晶衬底、底电极、铁电超薄绝缘层和顶电极；当铁电超薄绝缘层的厚度为2nm至5nm，铁电超薄绝缘层和单晶衬底之间的错配应变在共存相的相界处时，通过底电极和顶电极对铁电超薄绝缘层厚度方向上施加驱动电压，通过改变驱动电压大小，来改变铁电超薄绝缘层的极化状态，进而使铁电超薄绝缘层在不同驱动电压的驱动下分别获得3种不同隧穿电阻的畴结构状态。优选的是，底电极为导电的金属氧化物，顶电极为贵金属，铁电超薄绝缘层为钙钛矿铁电单晶薄膜。优选的是，所述的单晶衬底采用SmScO3实现，底电极采用SrRuO3实现，铁电超薄绝缘层采用PbTiO3或者BaTiO3实现。优选的是，铁电超薄绝缘层采用PbTiO3实现时，PbTiO3的共存相的错配应变范围为0.2％至0.8％。优选的是，铁电超薄绝缘层采用PbTiO3实现时，PbTiO3的最佳共存相的错配应变范围为0.46％。优选的是，所述顶电极为Pt电极。制备基于铁电共存畴的多阻态铁电量子隧道结的方法，该方法包括如下步骤：步骤一：将单晶衬底加热到650℃至750℃，氧压氛围在20mTorr至200mTorr范围内，采用脉冲激光沉积方法将导电的金属氧化物沉积在单晶衬底上，沉积厚度为10nm至20nm，从而在单晶衬底上形成底电极；步骤二：将单晶衬底加热到650℃至750℃，氧压氛围在20mTorr至200mTorr范围内，采用脉冲激光沉积方法将钙钛矿铁电单晶薄膜沉积到底电极上，沉积厚度为2nm至5nm，从而在底电极上形成铁电超薄绝缘层；步骤三：采用磁控溅射方法将贵金属沉积在铁电超薄绝缘层上，从而在铁电超薄绝缘层上光刻形成阵列状的顶电极，从而完成了对隧道结的制备。优选的是，顶电极的阵列间隙为100nm至200nm。原理分析：由铁电超薄绝缘层在一定衬底上生长出具有两种畴结构共存的薄膜，这种薄膜中的共存状态可以在较小的电压下实现三中极化状态的翻转，进而改变绝缘层的厚度及势垒高度，从而有效改变隧穿电流密度和隧穿电阻状态。本专利技术基于铁电共存畴的多阻态铁电量子隧道结包括：单晶衬底、底电极、铁电超薄绝缘层和顶电极。其中底电极和铁电超薄绝缘层采用脉冲激光外延沉积于和铁电单晶尺寸相匹配的单晶衬底上。单晶衬底的晶格常数需要满足与铁电层的晶格尺寸错配应变在相应相图的相界/畴界附近，比如PbTiO3铁电薄膜可以选择与之错配应变为0.486％的SmScO3(钪酸钐)单晶衬底。铁电超薄绝缘层的畴结构也需要通过控制生长温度及氧压氛围，PbTiO3铁电薄膜及底电极的制备。本专利技术带来的有益效果是，本专利技术突破现有隧道结二阻态的限制，仅改变铁电层的畴结构即可实现三阻态；且隧道结写入电压降为1V以下，读取电压在500mV以下，极大降低了读写能耗，能耗降低了20％以上，读写速度提高了50％以上，存储密度低得以提升。附图说明图1为本专利技术所述的基于铁电共存畴的多阻态铁电量子隧道结的结构示意图；图2为图1的俯视图；图3为本专利技术所述的基于铁电共存畴的多阻态铁电量子隧道结的铁电超薄绝缘层中极化状态示意图；其中-P3表示单畴极化向下状态；P1/P2表示一组面内极化状态；P3表示单畴极化向上状态；图4为图3中每种极化状态所对应的阻态所需驱动电压的波形图；图5为每种阻态所对应的外加电压和电流密度的关系图；图6为光刻法制备阵列电极流程示意图；图7表示铁电超薄绝缘层为PbTiO3时，其能量密度相图；其中，a/c表示多畴状态的能量密度曲线，c表示单畴极化状态的能量密度曲线，a1/a2表示一组面内极化状态的能量密度曲线。具体实施方式具体实施方式一：参见图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述一种基于铁电共存畴的多阻态铁电量子隧道结，为由下至上依次排列的4层结构构成的隧道结，由下至上依次排列的4层结构分别为单晶衬底1、底电极2、铁电超薄绝缘层3和顶电极4；当铁电超薄绝缘层3的厚度为2nm至5nm，铁电超薄绝缘层3和单晶衬底1之间的错配应变在共存相的相界处时，通过底电极2和顶电极4对铁电超薄绝缘层3厚度方向上施加驱动电压，通过改变驱动电压大小，来改变铁电超薄绝缘层3的极化状态，进而使铁电超薄绝缘层3在不同驱动电压的驱动下分别获得3种不同隧穿电阻的畴结构状态。本实施方式，通过设计单晶衬底1与铁电超薄绝缘层3之间的晶格匹配状态，使铁电超薄绝缘层3处于共存相状态，进而通过改变施加在铁电超薄绝缘层3上的驱动电压大小，改变铁电超薄绝缘层3的畴结构状态状态，从而获得3种不同隧穿电阻，即，使隧道结在不同驱动电压下，实现3种阻态的相互转换。铁电超薄绝缘层3在一定衬底上生长出具有多畴共存状态的薄膜，这些畴结构之间可以在较小的电压下实现翻转，进而改变绝缘层的厚度及势垒高度，从而有效改变隧穿电流密度和隧穿电阻状态。具体实施方式二：参见图1至图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于铁电共存畴的多阻态铁电量子隧道结的区别在于，底电极2为导电的金属氧化物，顶电极4为贵金属，铁电超薄绝缘层3为钙钛矿铁电单晶薄膜。本实施方式，钙钛矿铁电单晶薄膜，一般采用BaTiO3、PbTiO3及Pb(ZrTi)O3等实现。具体实施方式三：参见图1至本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于铁电共存畴的多阻态铁电量子隧道结，为由下至上依次排列的4层结构构成的隧道结，其特征在于，由下至上依次排列的4层结构分别为单晶衬底(1)、底电极(2)、铁电超薄绝缘层(3)和顶电极(4)；当铁电超薄绝缘层(3)的厚度为2nm至5nm，铁电超薄绝缘层(3)和单晶衬底(1)之间的错配应变在共存相的相界处时，通过底电极(2)和顶电极(4)对铁电超薄绝缘层(3)厚度方向上施加驱动电压，通过改变驱动电压大小，来改变铁电超薄绝缘层(3)的极化状态，进而使铁电超薄绝缘层(3)在不同驱动电压的驱动下分别获得3种不同隧穿电阻的畴结构状态。

【技术特征摘要】
1.一种基于铁电共存畴的多阻态铁电量子隧道结，为由下至上依次排列的4层结构构成的隧道结，其特征在于，由下至上依次排列的4层结构分别为单晶衬底(1)、底电极(2)、铁电超薄绝缘层(3)和顶电极(4)；当铁电超薄绝缘层(3)的厚度为2nm至5nm，铁电超薄绝缘层(3)和单晶衬底(1)之间的错配应变在共存相的相界处时，通过底电极(2)和顶电极(4)对铁电超薄绝缘层(3)厚度方向上施加驱动电压，通过改变驱动电压大小，来改变铁电超薄绝缘层(3)的极化状态，进而使铁电超薄绝缘层(3)在不同驱动电压的驱动下分别获得3种不同隧穿电阻的畴结构状态。2.根据权利要求1所述的一种基于铁电共存畴的多阻态铁电量子隧道结，其特征在于，底电极(2)为导电的金属氧化物，顶电极(4)为贵金属，铁电超薄绝缘层(3)为钙钛矿铁电单晶薄膜。3.根据权利要求1所述的一种基于铁电共存畴的多阻态铁电量子隧道结，其特征在于，所述的单晶衬底(1)采用SmScO3实现，底电极(2)采用SrRuO3实现，铁电超薄绝缘层(3)采用PbTiO3或者BaTiO3实现。4.根据权利要求3所述的一种基于铁电共存畴的多阻态铁电量子隧道结，其特征在于，铁电超薄绝缘层(3)采用PbTiO3实现时，PbTiO3的共存相的错配应变范围为0.2％至0.8％。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：路晓艳，李惠，吕伟明，郑立梅，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23