一种PBCO/NSTO超导阻变存储器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种PBCO/NSTO超导阻变存储器及其制备方法，所述阻变存储器包括下电极、阻变层和上电极，阻变层为PrBa

A pbco / nsto SRM and its preparation

【技术实现步骤摘要】
一种PBCO/NSTO超导阻变存储器及其制备方法
本专利技术涉及新型超导阻变存储器领域，具体涉及一种PBCO/NSTO超导阻变存储器及其制备方法。
技术介绍
阻变材料在电场的作用下，电阻具有高、低两个阻态且在一定条件下可以相互切换。阻变存储器具有存储密度大、擦写速度快、可多值存储、结构简单等优点，被认为是替代闪存实现商业化的新一代存储器。超导是另一种特殊的阻变行为。自从1911年H.K.Onnes偶然发现超导以来，它就引起了全球范围的关注。经过一个世纪的探索，人们在许多材料中发现了超导性，如纯金属、合金、化合物和铜酸盐。近年来，一系列的高温超导化合物形式RBa2Cu3O7(R=Y或稀土原子)，如GdBa2Cu3O7和HoBa2Cu3O7与超导转变温度(Tc)≥90K，吸引了越来越多的关注。如果能将阻变存储和超导两种性质集于一身，制造出新型的超导阻变存储器，将会进一步提高器件的性能和应用潜力。然而，同一种材料的制备条件、触发方式或测试手段不同可能得到超导或不超导两种截然不同的结果。例如，PrBa2Cu3O7(PBCO)薄膜的超导性目前仍然存在争议。化学掺杂样品Y1-xPrxBa2Cu3O7-δ具有超导行为，而超导转变温度Tc随掺杂量增加而降低当Pr>0.6时，超导最终消失。事实上，大多数未掺杂的PBCO薄膜样品都表现出非超导和非金属行为，与其他RBa2Cu3O7样品形成强烈对比。由于PBCO既不是金属，也不是超导体，但其晶体结构与超导YBa2Cu3O7相似，晶格参数几乎相同，因此常被用作超导薄膜与基体之间的缓冲层。它可以为超导-绝缘体-超导体(S-I-S)隧道约瑟夫森结提供一个势垒，应用于量子计算、超导-量子点器件和超导太赫兹辐射器件。
技术实现思路
本专利技术提出了一种PBCO/NSTO超导阻变存储器及其制备方法，存储器基于控制注入载流子通过PBCO/NSTO阻变存储器的异质结构，该PBCO/NSTO阻变存储器位于低阻态时，PBCO薄膜是零电阻状态，且随着注入电流的增加，Tc向高温转移。基于界面载流子注入的诱导，PBCO薄膜可以实现由非超导体到超导体的转变。注入的电子在费米能级上形成自俘获电子带，增加了载流子密度，并对其本征性质产生影响。因此，电场触发的PBCO薄膜的超导转变可以看作是一种区别与化学掺杂的特殊电子掺杂，掺杂水平可以通过电流来控制。实现本专利技术的技术方案是：一种PBCO/NSTO超导阻变存储器，所述阻变存储器包括下电极、阻变层和上电极，阻变层为PrBa2Cu3O7（PBCO）超导薄膜，阻变层的厚度为20~50nm，下电极为Nb:SrTiO3(NSTO)，上电极为In金属层，In金属层的厚度为100~200nm。所述阻变存储器的电流变化超过6个数量级范围时，PBCO超导薄膜为零电阻状态。随着温度降低，阻变存储器的电阻逐渐增大，300K时阻变存储器的电阻为11848Ω，随着温度降低到10K，器件电阻增大到了583430Ω，在10K时，阻变存储器发生阻变行为，电阻由HRS跳变为LRS，此时阻变存储器的电阻为26Ω，随着温度升高，阻变存储器的电阻逐渐增大。所述阻变存储器电阻由HRS跳变为LRS后，温度介于10~26K之间时，电阻几乎不变，维持在1×10-4Ω。所述阻变存储器的超导转变温度Tc为26K。所述的PBCO/NSTO超导阻变存储器的制备方法，步骤如下：（1）选取Nb掺杂量为0.1~0.7wt%的SrTiO3单晶作为衬底，得到NSTO单晶衬底；（2）使用第一掩膜覆盖NSTO单晶衬底，在暴露出NSTO单晶衬底上利用脉冲激光沉积工艺制备PBCO薄膜，将PBCO薄膜激发为PBCO超导薄膜；（3）使用具有图形的第二掩膜覆盖PBCO超导薄膜，在PBCO超导薄膜制备In上电极；（4）移除第一掩膜和第二掩膜，暴露出In上电极和NSTO下电极。所述步骤（2）中脉冲激光选择KrF准分子激光，激光波长为248nm，激光频率3~5Hz，能量密度2~3J/cm2，沉积温度780~850℃，氧分压100~200毫托，PrBa2Cu3O7薄膜的厚度为20~50nm。所述步骤（2）中将PrBa2Cu3O7薄膜降温至10K以下，并施加+Imin→+Imax的电流进行阻变和超导转变的触发，PBCO/NSTO器件出现两个阻态，其中1×10−9A＜+Imin＜1×10−7A，1×10−3A＜+Imax＜1×10−1A，得到PBCO超导薄膜。本专利技术的有益效果是：当温度下降到10K时，同时测量界面电阻和薄膜电阻，随着正电流从+Imin(1×10−8A)→+Imax(1×10−2A)，PBCO/NSTO和PBCO薄膜同时从高阻态(HRS)跳变到低阻态(LRS)，并保持在LRS。此时，通过PBCO薄膜(V2)和PBCO/NSTO异质结构(V1)的电压同时降低，随后PBCO薄膜表现出超导行为的特征。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图1是器件台阶结构和测试方法的示意图。通过电极1和4来触发和测量电压(V1)是PBCO/NSTO阻变存储器电压。通过电极2和3来触发和测量电压(V2)是PBCO薄膜自身的电压。附图2是NSTO（001）单晶衬底上的PBCO薄膜的XRD谱。附图3是PBCO/NSTO阻变存储器界面区域的TEM图。粗实线和虚线方框表明两个不同位置的界面处的原始数据经过两次傅里叶变换得到的布拉格过滤图像。在虚线方框区域，我们能够发现PBCO薄膜和NSTO衬底之间的位错。附图4分别是NSTO衬底、PBCO薄膜和PBCO/NSTO界面处的衍射暗场图像。左边细点方框和右边点画线方框分别对应于附图3中的NSTO衬底和PBCO薄膜的数据。中间图的灰色圆圈表明PBCO/NSTO界面处的由晶格常数的不同造成的PBCO薄膜和NSTO单晶衬底之间的位错。附图5是PBCO/NSTO阻变存储器和PBCO薄膜的线性I-V曲线。附图6是PBCO/NSTO阻变存储器和PBCO薄膜的双对数I-V曲线。表明异质结和薄膜同时从高阻态跳变到低阻态，并且PBCO薄膜从高阻态跳变到零电阻状态。附图7是PBCO薄膜的高阻态的电阻-温度曲线。附图8是PBCO薄膜的低阻态的电阻-温度曲线。附图9是PBCO薄膜在不同触发电流下的电阻-温度曲线。附图10是PBCO/NSTO阻变存储器高阻态低电流区域的线性拟合。附图11是PBCO薄膜高阻态低电流区域的线性拟合。附图12是PBCO/NSTO阻变存储器高阻态高电流区域的线性拟合。附图13是PBCO薄膜高阻态高电流区域的线性拟合。附图14是PBCO/NSTO阻变存储器低阻态的线性拟合。...

【技术保护点】
1.一种PBCO/NSTO超导阻变存储器，其特征在于：所述阻变存储器包括下电极、阻变层和上电极，阻变层为PrBa

【技术特征摘要】
1.一种PBCO/NSTO超导阻变存储器，其特征在于：所述阻变存储器包括下电极、阻变层和上电极，阻变层为PrBa2Cu3O7超导薄膜，阻变层的厚度为20~50nm，下电极为Nb:SrTiO3，上电极为In金属层，In金属层的厚度为100~200nm。


2.根据权利要求1所述的PBCO/NSTO超导阻变存储器，其特征在于：所述阻变存储器的电流变化超过6个数量级范围时，PrBa2Cu3O7超导薄膜为零电阻状态。


3.根据权利要求1所述的PBCO/NSTO超导阻变存储器，其特征在于：随着温度降低，阻变存储器的电阻逐渐增大，300K时阻变存储器的电阻为11848Ω，随着温度降低到10K，器件电阻增大到了583430Ω，在10K时，阻变存储器发生阻变行为，电阻由高阻态HRS跳变为低阻态LRS，此时阻变存储器的电阻为26Ω，随着温度升高，阻变存储器的电阻逐渐增大。


4.根据权利要求3所述的PBCO/NSTO超导阻变存储器，其特征在于：所述阻变存储器电阻由HRS跳变为LRS后，温度介于10~26K之间时，电阻几乎不变，维持在1×10-4Ω。


5.根据权利要求1所述的PBCO/NSTO超导阻变存储器，其特征在于：所述阻变存储器的超导转变温度Tc为26K。


6.权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏凌，熊光成，张伟风，郭海中，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：河南;41