一种高密度无损读取的铁电畴壁存储器制造技术

本发明专利技术公开了一种高密度无损读取的铁电畴壁存储器。该纳米铁电畴壁存储器，由下至上依次包括：单晶基底层、底电极层和铁电材料层；所述铁电材料层由若干个等间距排列的方块组成。通过控制不同的生长条件获得边长600纳米以下的方形铁电单元，工艺简单有效，避免了成本很高且工艺复杂的光刻和刻蚀对材料性能造成的损伤。本发明专利技术制备的铁电畴壁器件单元利用形状几何边界条件对铁电畴壁形成拓扑保护，从而实现电压控制的高开关比、稳定、可重复擦写的非易失性导电畴壁。本发明专利技术有效利用了铁电畴壁尺寸小，控制电压低的特点实现高密度、低功耗的铁电畴壁为单元的信息存储。

A High Density Nondestructive Reading Ferroelectric Domain Wall Memory

The invention discloses a high density nondestructive reading ferroelectric domain wall memory. The nanometer ferroelectric domain wall memory consists of a single crystal substrate layer, a bottom electrode layer and a ferroelectric material layer from bottom to top, and the ferroelectric material layer is composed of several equal-spaced blocks. By controlling different growth conditions, a square ferroelectric cell with a side length of less than 600 nanometers can be obtained. The process is simple and effective, and the damage to material properties caused by high cost and complex lithography and etching can be avoided. The ferroelectric domain wall device unit of the invention forms a topological protection for the ferroelectric domain wall by using shape and geometry boundary conditions, thereby realizing high switching ratio, stability and repeatable erasable non-volatile conductive domain wall with voltage control. The invention effectively utilizes the characteristics of small ferroelectric domain wall size and low control voltage to realize high density and low power consumption ferroelectric domain wall as a unit of information storage.

【技术实现步骤摘要】
一种高密度无损读取的铁电畴壁存储器
本专利技术属于信息存储技术和材料领域，涉及一种高密度无损读取的铁电畴壁存储器。
技术介绍
目前最新的磁存储技术是基于自旋极化电流写入数据，利用磁畴壁的移动来存储信息，但它的一个缺点是写入过程中功耗高。另一类信息存储技术是基于铁电电容式随机存储器，利用极化态来存储信息，但由于读取信息时需要施加外界电流使极化反转，破坏了存储的信息，此外这种电容感应式的存储器容量在纳米尺寸时会受到很大的限制。为了解决这一难题，利用电场进行读写的磁电随机存储器及铁电畴壁存储器的概念已被提出。铁电材料的畴壁随极化等条件不同会显示不同的导电性，可用于存储信息。铁电畴壁由于尺度小，宽度通常在10纳米以下，因而很有潜力用于高密度的信息存储。然而目前并没有商用的铁电畴壁器件出现，一方面由于传统畴壁的导电性不高，读写电流的开关比不够大；另一方面是由于自发形成的畴壁在没有缺陷钉扎、特殊电极等情况下很难稳定重复擦写，即畴壁是易失性的，数据的读取是破坏性的。最新的报道通过人工设计特殊的平面电极结构，在电极间随着不同强度、方向电场的施加可以创造、擦除铁电畴壁，因而可实现两个甚至多个电阻态。但是这种平面电极结构不利于存储单元密度的提高，还有待进一步改善或寻找替代方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高密度无损读取的铁电畴壁存储器。本专利技术提供的纳米铁电畴壁存储器，由下至上依次包括：单晶基底层、底电极层和铁电材料层；所述铁电材料层由若干个等间距排列的方块组成。上述纳米铁电畴壁存储器中，构成所述单晶基底层的材料为钙钛矿型单晶，具体可为铝酸镧LaAlO3、钛酸锶SrTiO3。构成所述底电极层的材料为钙钛矿型氧化物，具体可为镧锶锰氧(La,Sr)MnO3、钌酸锶SrRuO3。构成所述铁电材料层的材料为具有应力引发相分离现象的铁电材料，具体可为铁酸铋BiFeO3(BFO)。所述单晶基底层的取向为(001)；所述底电极层的厚度不大于100纳米，具体可为2纳米、6纳米、10纳米、20纳米等。所述铁电材料层的厚度为10-100纳米，具体可为40纳米、60纳米、80纳米等。所述方块为纳米级方块；所述方块为自组装形成的方块，其形状可为正方形或长方形；所述纳米铁电畴壁存储器为自组装形成的纳米级方块；利用形状几何边界条件对铁电畴壁形成拓扑保护，实现电压控制的高开关比、稳定、可重复擦写的非易失性导电畴壁。所述纳米铁电畴壁存储器的边长不大于600纳米，具体可为200纳米。本专利技术提供的制备所述纳米铁电畴壁存储器的方法，包括如下步骤：对单晶基底退火得到所述单晶基底层后，在所述单晶基底层上利用脉冲激光沉积方法依次制备得到所述底电极层和铁电材料层。上述方法中，所述对单晶基底退火步骤中，温度为900℃-1100摄氏度，具体可为1000摄氏度；时间为1小时以上，具体可为2小时；该退火处理的目的是为了获得平直的表面原子台阶；利用脉冲激光沉积方法制备步骤中，所用激光为氟化氪脉冲激光；准分子脉冲激光波长为193-355纳米；具体可为248纳米；激光频率为1-10赫兹；具体可为5赫兹；激光能量密度为1-3焦耳/平方厘米，具体可为1.5焦耳/平方厘米；生长氧压为5-50帕斯卡，具体可为15、20或30帕斯卡；生长温度为600-750摄氏度，具体可为680摄氏度、700摄氏度或720摄氏度；退火氧压为103-105帕斯卡，具体为20000帕斯卡或50000帕斯卡；降温速率为1-20摄氏度/分钟；具体可为5摄氏度/分钟。由于构成所述底电极层和铁电材料层的材料不同，因而在上述PLD工艺条件下，构成铁电材料层的材料能够自组装形成若干个间隔排列的方块结构。另外，上述本专利技术提供的纳米铁电畴壁存储器在信息存储或在信息无损读取中的应用，也属于本专利技术的保护范围。本专利技术的有益效果如下：1、与现有技术相比，本专利技术提供的纳米铁电畴壁存储器不需要复杂的光刻手段，降低了成本，而且避免了光刻对材料的损伤，最大限度保留了材料本身的性能。2、本专利技术在铁电畴壁的形成和稳定方面做了创新，利用自组装形式形成的纳米方块结构中存在形状保护的畴壁，可以利用铁电材料在面外两个相反的极化状态来控制畴壁的导电态，使得高导电的铁电畴壁被自身的几何形状所保护，从而实现稳定的高开关比(可达103)及稳定可重复的擦写。施加的极化翻转电压可以低至正负3伏左右，而读取电压可以在1.5伏，极大降低了纳米铁电存储器的功耗。3、本专利技术采用垂直加电压的方式有利于实现高的存储密度，存储单元尺寸为200纳米时存储密度可达16GB/inch2，远高于目前已经商用的铁电型存储器。附图说明图1为本专利技术设计生长的自组装纳米铁电畴壁存储器示意图；图2为实施例1纳米铁电存储器的X射线衍射结构图；图3为实施例1纳米铁电畴壁存储器的铁电畴和相应的导电状态图；图4为实施例1两种存储状态即高低阻态示意图。图5为实施例1纳米铁电畴壁存储器阵列的示意图；附图标记说明：1单晶基底层、2底电极层、3铁电材料层、4上电极层。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步阐述，但本专利技术并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。实施例1、纳米铁电畴壁存储器图1为本专利技术提供的纳米铁电畴壁存储器的结构示意图，其中，由下至上依次包括：单晶基底层1、底电极层2和铁电材料层3。其中，铁电材料层由若干个等间距排列的方块组成。该纳米铁电畴壁存储器各层由下至上依次为LaAlO3/(La,Sr)MnO3/BiFeO3。单晶基底层1为LaAlO3，取向为(001)；底电极层2为(La,Sr)MnO3，厚度为2纳米，铁电材料层3为BiFeO3厚度为40纳米；该纳米铁电畴壁存储器的制备方法采用脉冲激光沉积(PLD)方法，制备底电极层和铁电材料层时，所用陶瓷靶材分别为商用的(La,Sr)MnO3和BiFeO3多晶靶材。制备底电极层和铁电材料层的具体条件相同，如下所示：对单晶基底在1000℃进行高温退火处理2小时获得平行的表面台阶。选用氟化氪脉冲激光，激光波长为248纳米，激光频率为5赫兹，激光能量密度约为1.5焦耳/平方厘米，生长氧压为20帕斯卡，生长温度为700摄氏度，生长厚度为(La,Sr)MnO32纳米，BiFeO340纳米，退火氧压为20000帕斯卡，降温速率为5摄氏度/分钟，降温至室温，而得。图2为所述LaAlO3/(La,Sr)MnO3/BiFeO3纳米铁电存储器的XRD结构示意图，表明BiFeO3薄膜具有良好的外延结晶性，以及菱方相和四方相两种结构。图3中a-c为BiFeO3纳米铁电存储单元的导电原子力显微镜图、面外(OP)铁电畴以及极化方向的示意图。图3中d-f为施加电压极化翻转后相应的各图。说明在初始状态，存储单元中的极化方向向下指向方块岛的中心，此时铁电畴壁只有很小的电流，是一个高电阻的状态；极化翻转成向上且指向方块岛四角的畴之后，铁电畴壁具有明显增强的电流，是一个低电阻的状态。图4显示本专利技术利用两种不同极化状态对应的不同畴壁导电态获得的器件单元的高电流和低电流态，从而获得稳定可重复的电流开关比，高达103。这是作为存储器的基础。其中施加的极化翻转电压可以低至正负3伏左右，而读取电压可以在1.5伏，极大降低本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米铁电畴壁存储器，由下至上依次包括：单晶基底层、底电极层和铁电材料层；所述铁电材料层由若干个等间距排列的方块组成。

【技术特征摘要】
1.一种纳米铁电畴壁存储器，由下至上依次包括：单晶基底层、底电极层和铁电材料层；所述铁电材料层由若干个等间距排列的方块组成。2.根据权利要求1所述的纳米铁电畴壁存储器，其特征在于：构成所述单晶基底层的材料为钙钛矿型单晶。3.根据权利要求1或2所述的纳米铁电畴壁存储器，其特征在于：构成所述底电极层的材料为钙钛矿型氧化物。4.根据权利要求1-3中任一所述的纳米铁电畴壁存储器，其特征在于：构成所述铁电材料层的材料为具有应力引发相分离现象的铁电材料。5.根据权利要求1-4中任一所述的纳米铁电畴壁存储器，其特征在于：所述单晶基底层的取向为(001)；所述底电极层的厚度不大于100纳米；所述铁电材料层的厚度为10-100纳米。6.根据权利要求1-5中任一所述的纳米铁电畴壁存储器，其特征在于：所述方块为自组...

【专利技术属性】
技术研发人员：马静，马吉，南策文，刘晨，王静，陈明凤，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11