一种光写入阻变存储单元及其制备、操作方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种阻变存储单元，具体地涉及一种光写入阻变存储单元，以及该光写入阻变存储单元的制备方法、操作方法及其应用。
【背景技术】
[0002]阻变存储器(RRAM)利用某些薄膜材料在激励的作用下会出现不同的电阻状态(高、低阻态)的转变现象进行数据存储。RRAM的优势在于结构简单、功耗低、速度快、存储密度高、制造工艺简单，是下一代通用存储器的强有力候选者。
[0003]阻变存储器大体上分为两种。导电细丝型阻变存储器与界面限制型阻变存储器。阻变存储器的类型取决于薄膜材料以及电极材料的性质。对于单晶与多晶的薄膜，其缺陷态少，并且分布不均匀，容易形成导电细丝型阻变存储器。对于用Ag等活泼金属作为电极的阻变存储器，Ag离子会进入中间层而形成导电通道。对于非晶薄膜，其缺陷态分布均匀，采用惰性电极的阻变存储器时，在一定条件下可以形成界面限制型阻变存储器，但存在操作偏压高的问题。
[0004]二元金属氧化物中的离子在电场作用下是可以迀移的，通常用带正电荷的氧空位的迀移来描述。二元金属氧化物的导电性由离子导电与电子导电共同决定，通常离子导电不占主导。二元金属氧化物中的电中性氧空位能级较深，在室温下不能完全电离，在电场作用下或者满足阈值条件的光的照射下会进一步电离。同时，离化了的氧空位可以在电场作用下移动，移动方向与电场极性相关。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于对现有的阻变存储单元加以进一步改进，以提供一种制备简便、以无损的光照方式进行写入和赋值的光写入阻变存储单元，以及该光写入阻变存储单元制备方法、操作方法和应用。
[0006]本发明提供了一种光写入阻变存储单元，该阻变存储单元包括:
[0007]玻璃衬底；
[0008]位于所述玻璃衬底上的底电极；
[0009]位于所述底电极上的阻变存储介质层；
[0010]位于所述阻变存储介质层上的顶电极；
[0011]其中，所述底电极和顶电极中至少有一个为透明氧化物电极，所述阻变存储介质层的材料为对光响应的非晶二元金属氧化物，所述顶电极上还设置有AU层。
[0012]并且其中，所述顶电极的横截面积小于阻变存储介质层的横截面积，或者所述顶电极和阻变存储介质层的横截面积相等且均小于底电极的面积。Au层的横截面积可以与顶电极的横截面积相等。
[0013]该阻变存储单元可以是以普通玻璃为衬底，由底电极(例如ΙΤ0)、中间层(即阻变存储介质层，例如Ti02)、顶电极(例如ΙΤ0)依次叠加而成的MIM三明治结构。其中，中间层与底电极可以是公用的，玻璃衬底上的底电极可以接地。
[0014]根据本发明的光写入阻变存储单元，其中，所述非晶二元金属氧化物选自Ti02、ZnO、W03中的一种或多种。优选地，所述透明氧化物电极的材料选自ΙΤΟ、ΑΤ0, FT0中的一种或多种，优选为ΙΤ0。
[0015]根据本发明的光写入阻变存储单元，其中，所述底电极的厚度为50-500nm，优选为400-500nm,更优选为500nm ;所述阻变存储介质层的厚度为50-500nm，优选为50_150nm，更优选为lOOnm ;所述顶电极的厚度为50-500nm，优选为50_150nm，更优选为70nm ;所述々11层的厚度为50-500nm，优选为50_150nm，更优选为100nmo
[0016]本发明还提供了上述光写入阻变存储单元的制备方法，该方法包括以下步骤:
[0017](1)在玻璃衬底上依次制备底电极、阻变存储介质层、顶电极和Au层，从而在玻璃衬底上形成复合薄膜；优选地，所述玻璃衬底先用丙酮和酒精分别加热超声10分钟。
[0018](2)紫外光刻所述复合薄膜以形成分立的复合薄膜结构；优选地，所述复合薄膜结构的横截面积为100 X 100 μ m2。
[0019](3)采用离子束刻蚀所述复合薄膜结构，以使得所述复合薄膜结构中的顶电极的横截面积小于阻变存储介质层的横截面积或者所述顶电极和阻变存储介质层的横截面积相等且均小于底电极的面积，从而得到所述光写入阻变存储单元。
[0020]根据本发明的制备方法，其中，步骤(1)中，采用磁控溅射法制备底电极。优选地，磁控溅射的功率为150W，生长速率为10nm/min。更优选地，底电极的厚度为50_500nm，优选为 400-500nm，更优选为 500nm。
[0021]根据本发明的制备方法，其中，步骤(1)中，采用磁控溅射法制备阻变存储介质层。优选地，磁控溅射的功率为150W，生长速率为lnm/min。更优选地，阻变存储介质层的厚度为50-500nm，优选为50_150nm，更优选为100nmo
[0022]根据本发明的制备方法，其中，步骤⑴中，采用磁控溅射法制备顶电极。优选地，磁控溅射的功率为150W，生长速率为10nm/min。更优选地，顶电极的厚度为50_500nm，优选为50-150nm，更优选为70nm。
[0023]根据本发明的制备方法，其中，步骤⑴中，采用磁控溅射法制备Au层。优选地，磁控溅射的功率为15W，生长速率为4nm/min。更优选地，Au层的厚度为50_500nm，优选为50_150nm，更优选为 lOOnm。
[0024]本发明还提供了本发明的光写入阻变存储单元或按照本发明的方法而制备的光写入阻变存储单元的操作方法，所述操作方法包括激活操作方法、工作操作方法、光写入操作方法和多值存储赋值操作方法中的至少一种。
[0025]所述激活操作方法包括:
[0026]底电极接地，对顶电极加对称正负向IV扫描进行电致掺杂，以降低阻变存储介质层的电阻，然后对顶电极加负向IV扫描，以使阻变存储介质层与顶电极和底电极的接触变得不对称，其中，所述负向IV扫描的偏压比对称正负向IV扫描的偏压更高；优选地，所述对称正负向IV扫描的偏压为±3V，所述负向IV扫描的偏压为-4.5V。
[0027]在较低偏压下对例如为二元金属氧化物的阻变存储介质层进行IV扫描，二元金属氧化物内会产生大量氧空位，可供电离的氧空位增加，二元氧化物的导电性增强。对称的正负向IV扫描可以使二元氧化物阻变存储介质层的导电性变好，从而使Μ頂结构的阻变存储单元的导电性类型从体限制型转变为界面限制型。负向较大偏压的扫描可以使二元氧化物与顶电极与底电极的接触变得不对称。光照强度对于顶电极与阻变存储介质层和底电极与阻变存储介质层接触来说几乎是一致的，因此使顶电极与阻变存储介质层、底电极与阻变存储介质层接触的内建电场不一致，才有显著的光响应。
[0028]所述工作操作方法包括:
[0029]底电极接地，对顶电极加正向IV扫描，使阻变存储单元置为负向低阻态，对顶电极加负向IV扫描，使阻变存储单元置为负向高阻态；优选地，该工作操作方法中的正向IV扫描的偏压为+3V，负向IV扫描的偏压为-3V。
[0030]施加正向偏压使得氧空位向下移动，底电极与阻变存储介质层形成的肖特基势皇的内建电场宽度增加，存储单元进入负向低阻态；施加负向偏压使得氧空位向上移动，底电极与阻变存储介质层形成的肖特基势皇的内建电场宽度增加，存储单元进入负向高阻态。
[0031]所述光写入操作方法包括:
[0032]用光从玻璃衬底一侧或顶电极一侧照射高阻态的阻变存储单元，所得光斑面积等于或大于顶电极的面积，从而将阻变存储单元置为低阻态；优选地，该光写入操作方法的光波长为390nm到500nm，优选400nm，照射时间为100-500s，优选160so
[0033]所述多值存储赋值操作方法包括:
[0034]用光从玻璃衬底一侧或顶电极一侧分阶段地照射高阻态或低阻态的阻变存储单元若干个时间周期，所得光斑面积等于或大于顶电极的面积，以得到具有所需阻值的阻变存储单元；优选地，该多值存储赋值操作方法的光波长为390nm-500nm，优选400nm，时间周期为10s-50s，优选20s。
[0035]光照作为一种无损的方式，可以有效地调控激活后阻变存储单元界面处电离了的氧空位浓度，调控激活前阻变存储单元的体氧空位浓度，从而实现对阻变存储器件的光写入与多值存储的赋值。因此，用光调制阻变存储器的方法可以表述为以下方面:
[0036](1)用电场将二元金属氧化物阻变存储单元置到高阻态后，利用满足一定阈值条件的光照，高阻态“0”可转变为低阻