一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性阻变存储器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于非易失性阻变存储器件技术领域，涉及到一种低功耗的非挥发型柔性电阻式随机读取存储器。
【背景技术】
[0002]随机读取存储器(RAM)是计算机数据存储的一种重要形式，主要用作主存储器(内存)，具有超高的存取速度和写入耐久性，如静态RAM (SRAM)的读写时间均小于0.3ns，读写寿命可高达1016次。然而，RAM具有易失性，断电后数据丢失。快闪存储器(flashmemory)作为目前最先进的非易失性存储器，却存在存储速度慢(105?10 6ns)，耐久性低(写寿命约为105次)等问题。此外，随着晶体管趋向于亚微米级，一系列的问题开始出现，包括制作工艺的困难和器件性能的限制如电子的运行难以控制等，基于晶体管的传统存储技术遇到了发展瓶颈，快闪存储器将会在十年内达到体积缩小的极限。同时，由于密集光刻成本的增加，器件本身存在物理缺陷等原因，CMOS技术也将达到其发展的极限。因此，迫切需要研发新的非易失性存储器件和技术，以满足对初、中级存储设备不断增长的高密度、低功耗和高速度的要求。阻变存储器(ReRAM)具有纳米级尺寸、快速转换(<10ns)、高耐久性(101°次)、多状态操作、可堆栈性以及与CMOS工艺相兼容性等特点，为半导体存储技术的发展带来新的希望。特别是基于金属氧化物双稳态电阻开关特性的ReRAM具有快的读写时间(几十个纳秒)、较低的处理温度(低于300°C )且与3维堆垛结构相兼容等优点。因此，基于金属氧化物的ReRAM有望成为最具潜力的新一代存储器。
[0003]在电阻开关现象中，施加于器件两端的偏压从0开始逐步增加，当电压达到一定值时，通过器件的电流瞬间增大，ReRAM从初始状态的高阻态转换为低阻态。这一过程被称为置位(set)，相当于存储器中的信息写入过程。当偏压再次从0增大到某一值时，通过器件的电流由大瞬间变小，ReRAM从低阻态回复到高阻态。这一过程被称为复位(reset)，相当于存储器中的信息擦除过程。ZnO作为一种宽禁带半导体及最重要的功能材料之一，受到了研究人员的广泛关注。应用ZnO独特的电学、光学、力学及压电特性，人们已研发出ZnO纳米线/带基场效应晶体管、紫外激光器、光电阻变开关、发光二极管、太阳能电池、压电传感器及驱动器。更重要的是，把ZnO的半导体性能和压电特性相耦合，发明了纳米发电机、压电场效应晶体管、压电二极管及压电化学传感器，这些都是压电电子学的基本构件。ZnO薄膜基ReRAM的研究始于2007年，目前还存在操作电压大、器件功耗高等问题，这些问题的存在延长了器件的操作时间，使器件功耗增加，大大减少了器件的寿命。
[0004]压电效应是指特定晶体材料在应力作用下变形时所产生电压的现象，即一种机械能与电能互换的现象，压电材料在拉、压应力作用下，材料内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。理论研究表明，当金属与压电半导体接触时，界面形成肖特基势皇，金属这一侧电子能带的变化可以忽略。而半导体的能带结构发生弯曲，最大的能带弯曲发生在界面处，而远离界面处的能带结构未有变化。如果在金属-压电半导体界面有正的残余压电电势，那么势皇高度会减小。足够大的残余压电电势(大于肖特基势皇高度)可以把肖特基势皇变为欧姆接触。如果在金属-压电半导体界面有负的残余压电电势，那么势皇高度会进一步增大，形成具有高阈值电压的肖特基二极管。除了定性分析夕卜，一些实验结果也与上述所说的界面能带工程模型相吻合。
【发明内容】
[0005]本发明的一个目的是针对现有技术的不足，提供一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性ReRAM，该低功耗柔性ReRAM是利用外力作用来实现低功耗ReRAM。将ZnO的半导体性能和压电特性相结合，在柔性PET衬底上制备基于ZnO薄膜的ReRAM ;改变作用在柔性衬底上的应力，使得ZnO薄膜中应变极性发生相应的改变，进而实现对器件的Set和Reset电压的调控，从而最终获得低功耗的柔性ReRAM。
[0006]本发明解决技术问题所采取的技术方案为:
[0007]本发明低功耗柔性ReRAM从上至下依次包括TE层、ZnO层、ΙΤ0/ΡΕΤ层，其中ΙΤ0/PET为实验室常用ΙΤ0导电膜，面电阻小于35±5Ω ;ΤΕ层为若干个直径100 μ m的圆形金属上电极(TE)，选用功函数大于ZnO功函数(4.2eV)的金属Pt、Cu或Au ;其中ZnO层的厚度范围为50?150nm，TE层的厚度范围为100?120nm。
[0008]本发明的另一个目的是上述低功耗柔性ReRAM的制备方法，该方法包括以下步骤:
[0009]步骤⑴、ΙΤ0/ΡΕΤ柔性衬底作为下电极，通过溅射法制备ZnO薄膜:以ΙΤ0/ΡΕΤ作为衬底，通过溅射法在衬底表面形成ZnO薄膜，得到ZnO/ITO/PET ;
[0010]所述的ZnO薄膜的厚度范围为50?150nm，可通过调节派射条件来控制的ZnO厚度。
[0011]所述的ΙΤ0/ΡΕΤ为实验室常用ΙΤ0导电膜，面电阻小于35±5Ω，可通过购买获得;
[0012]作为优选，溅射条件:压强保持在0.1?0.3Pa，Ar流量为10?30sccm，溅射功率为55W，沉积时间控制在30?90分钟。
[0013]步骤(2)、金属上电极(TE)的制备:
[0014]将制备得到的ZnO/ITO/PET基体放于沉积室内，用掩模法通过电子束蒸发金属上电极，使得ZnO薄膜上沉积金属薄膜电极，最终得到柔性ΤΕ/Ζη0/ΙΤ0/ΡΕΤ器件；
[0015]所述的金属上电极(TE)可以选用功函数大于ZnO功函数(4.2eV)的Pt、Cu、Au薄膜做上电极，上电极金属薄膜的厚度范围为100?120nm。
[0016]掩模法条件:直径为100 μπι的圆形金属上电极(ΤΕ)在电子束蒸发镀膜仪中通过不锈钢掩模板沉积在ZnO薄膜上。
[0017]电子束蒸发条件:在制备所得的ZnO薄膜上，放置一片冲有圆孔的不锈钢掩模板以遮挡下电极和部分ZnO薄膜，再将ZnO/ITO/PET基体及掩模板送入电子束蒸发镀膜仪中。当腔体的本底真空抽至6X 10 5Pa时，打开蒸发挡板向ZnO薄膜上沉积金属上电极。
[0018]本发明的有益效果:本发明通过ZnO薄膜本身的压电效应来调控其set和reset电压，以期减小器件的操作电压，降低器件的功耗，从而延长器件的寿命。在压应变下，ZnO/TE界面有正的残余压电电势，那么势皇高度会减小，使得set及reset电压减小。而在拉应变下，ZnO/ΤΕ界面有负的残余压电电势，那么势皇高度会进一步增大，使得set及reset电压增大。
【附图说明】
[0019]图1为Cu/ZnO/ITO/PET器件置于PMMA悬臂梁的结构示意图；
[0020]图2为Cu/ZnO/ITO/PET器件无应变时set、reset电压的变化；
[0021]图3为Cu/ZnO/ITO/PET器件在拉应变下set、reset电压的变化；
[0022]图4为Cu/ZnO/ITO/PET器件在压应变下set、reset电压的变化。
【具体实施方式】
[0023]下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
[0024]以下实施例采用将本发明柔性ΤΕ/Ζη0/ΙΤ0/ΡΕΤ样品固定于PMMA悬臂梁的底部，如图1所示。悬臂梁可以左右弯曲来获得不同的应变。由于悬臂梁的厚度远大于ZnO薄膜的厚度，我们认为ZnO薄膜中可以产生均匀的压/拉应变。因此，ZnO薄膜上的应变可以通过此悬臂梁来量化。记录悬臂梁在拉应变/压应变情况下的变形量，根据材料力学中的形变公式，获得相应的应变值。阻变性能分析:采用1-V曲线测试仪分析柔性ZnO基ReRAM的电学性能。
[0025]实施例1:
[0026]1.ZnO薄膜的射频磁控溅射