光电双控多级阻变存储器及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体非易失性存储器技术领域，尤其涉及一种基于氧化镍/铌钛酸 锶（NiO/Nb:SrTi03)P-N结的光电双控多级阻变存储器的制备和调控方法。
【背景技术】
[0002] 在电场作用下，阻变存储器的电阻值可以在高、低阻态之间转换。高阻态时器件的 存储状态为〇,低阻态时器件的存储状态为1。高、低阻态的比值称为开关比。阻变存储器 具有存储密度高，擦写速度快，重复次数多，多值存储等优点。文献资料显示，阻变存储器目 前仍没有大批量生产应用的原因有以下几点：1、很多器件的开关比小，易造成误操作。2、单 纯依赖电场，应用场合必须要有电源。3、稳定性差，易疲劳。4、原料昂贵，制备温度高，工艺 复杂。此外，目前常规的阻变存储器的触发模式为电触发，即阻变存储器的电阻值在电场触 发下发生变化，关于光触发和光电双控的阻变存储器研究还较少。
[0003] 本课题组已经在肖特基结的光电双控多级阻变存储器研究方面做了一些探索。发 现特定的制备工艺可以在铟（In)金属和银钛酸锁（Nb:SrTi03)之间形成肖特基结。在电场 和光源的调控下，可以实现多级存储。虽然肖特基结的电流-电压和电容-电压特性与PN 结的相似，但肖特基结的电流-电压曲线的正向开启电压和反向击穿电压较低。造成肖特 基结在实际应用中更易击穿，在稳定性，循环特性和保持性上不如P-N结表现突出。因此， 寻找一种性能优良的P-N结将其应用于光电双控多级存储器，是一个颇具研究意义和应用 前景的课题。
[0004] P型氧化镍（NiO)薄膜由于具有优良的电学、磁学、光学、热学以及机械性能，在热 敏元件、玻璃、功能陶瓷、催化剂、涂料、气敏元件和电子元件方面得到了广泛的应用。基于 NiO薄膜制成的电阻开关器件还具有卓越的可重复性，保持性和透明性。另外，P型NiO薄 膜的制备温度不高，工艺简单易重复，原材料低廉。因此，对于制备P-N结光电双控多级存 储器而言，NiO薄膜是一种非常具有吸引力的材料。
【发明内容】
[0005] 本发明公开了一种具有稳定光电双控性能的Ni0/Nb:SrTi03结在多级阻变存储器 方面的应用，属于半导体非易失性存储技术领域。本发明的阻变材料是NiO/Nb:SrTi03P-N 结，所述存储器由P型NiO薄膜、N型Nb:SrTi03基底，In上、下电极组成。本发明提供的光 电双控性能的多级阻变存储器，具有良好的稳定性，耐疲劳，能反复循环使用。无论单电源， 单光源还是光电双控都能使其工作，是一种光源和电源均可触发的高开关比的多级阻变存 储器。在不方便连接电源的场合(如野外，宇宙空间等）可以仅依靠光源触发。由于其高开 关比和优良的稳定性，所以在使用过程中，有效地避免了误操作现象的出现。原料全部采用 氧化物，制备温度低，工艺简单，节能环保，应用场合广泛。
[0006] 本发明的目的是提供一种具有高开关比的多级阻变存储器，有效避免误操作现象 的出现。且此阻变存储器不仅能够电触发，而且还能实现光触发，扩大了阻变存储器的应用 场合，进一步降低能耗。本发明采用下述技术方案： 一种基于NiO/Nb:SrTi03P-N结的光电双控多级阻变存储器，包括N型Nb:SrTi03基底 和位于其上表面的P型NiO层。在P型NiO层上设置In金属作为上电极，在N型Nb:SrTi03 下表面设置In金属作为下电极。其中上电极与P型NiO层上表面要形成良好的欧姆接触， 下电极与N型Nb:SrTi03基底下表面层要形成良好的欧姆接触。P型NiO层和N型Nb:SrTiO3 基底之间形成P-N结，电流-电压（I-V)曲线具有整流特性。
[0007] 所述的P型NiO层，通过脉冲激光沉积制备。生长温度为400°C。所述的P型NiO 层为外延生长的单晶薄膜，其XRD图谱没有出现其他杂相。
[0008] 所述的N型Nb:SrTi03S底已经商业化，可以购买。衬底的晶向可以为（100)、 (110)或（lll)，Nb掺杂质量比可以为0. 05wt%-0. 7wt%，优选为0. 5wt%，0. 1wt%，厚度 为 0· 5mm〇
[0009] 3结的光电双控多级阻变存储器的制备方法包含以下步骤： 步骤1 :在Nb:SrTi03S底上外延生长Ρ型NiO单晶层，Ρ型NiO层的外延生长通过脉 冲激光沉积方法制备。先用固相沉积法制备NiO陶瓷靶材，然后将NiO靶材和Nb:SrTi03 基底放入沉积腔体，样品与靶材距离为50mm。沉积过程中要抽真空至10 4Pa，调节氧压为 10 3Pa，温度400°C。激光能量为300mj，频率为3Hz，激光波长为248nm。激光在NiO靶 材上的入射角度为45度，制备好的NiO/Nb:SrTi03结为P-N结接触。
[0010] 步骤2 :1η上电极制备：在P型NiO单晶层上利用掩膜板通过磁控溅射工艺制备 In金属层，其中In金属层与NiO层为欧姆接触。
[0011] 步骤3 :1η下电极制备：利用电焊工艺，在Nb:SrTi03基底背面焊接In金属而成。 In金属与Nb:SrTi03S底为欧姆接触。电焊温度介于250~300°C之间。In金属的熔点较低， 较高的温度可以使In金属与空气中的氧气反应生成氧化铟，氧化铟的存在会破坏下电极 与Nb:SrTi03S底的欧姆接触，进而影响光电双控多级阻变存储器的性能。焊接温度>300°C 就不能实现本发明的功能。
[0012] 3结光电双控多级阻变存储器的电学性质测试： 1.上下电极的欧姆接触用电压表通过测I-V曲线的方式检测，如图3插图所示。说明 上下电极均为良好的欧姆接触。
[0013] 2.NiO/Nb:SrTi03结的I-V曲线在正电压区域随着电压的增大急剧增大，在负电压 区域随着电压的增大，变化很小，如图3所示。表明两者之间是P-N结整流特性。
[0014] 单独的电触发模式：仅用电压触发时，NiO/Nb:SrTi03P-N结的阻变存储器工作特 性如图4所不。在暗态下，电压源扫描区间为：0 -+Vmax- 0 - _Vmax- 0,其中NiO层 即上电极接电压源的正极，Nb:SrTi03S底即下电极接电压源的负极。测量器件电流变化 的同时采用限制电流保护，使器件不被过大的电流烧坏。可以看到，器件最初是高阻态，在 正电压扫描区间，电流先随着电压的增大逐渐增大，当电压增大到一定程度时，电流达到限 制电流的阈值，此时随着电压的增大，电流不再增大。表明器件从高阻态跳变到了低阻态。 当电压开始从最大值减小到〇V时，电流也会减小，但器件并没有回到原始的高阻态。在负 电压区间，电流随着电压绝对值的增大而增大，当电压从负向最大值减小到0V时，电流急 剧减小。表明器件从低阻态回到了高阻态。负向电压扫描时，电流随着触发电压最大值（-Vmax)的绝对值的增大而减小，造成了I-V回线的开口即器件的开关比随之逐步增大。因 此，在暗态下，该器件可以实现电压调控下的多级电阻转换，开关比高达~1〇5。
[0015] 单独的光触发模式：仅用光源触发时，Ni0/Nb:SrTi03P-N结的阻变存储器工作特 性如图8所示。当存储器被调控到高阻态后，然后撤掉电场，仅开关光源，就可以实现光电 流暗电流的切换。可以清楚地看到，在开关光源的瞬间，流经器件的电流瞬时的增大和减 小。电流的大小直接和原触发阻态相关，即实现了阻变存储器的单光源触发和多级存储。
[0016] 光、电双触发模式：在电压和光源双触发下，Ni0/Nb:SrTi03P-N结的阻变存储器 工作特性如图5所示。其中NiO层即上电极接电压源的正极，Nb:SrTi03S底即下电极接 电压源的负极，采用0-+Vmax-0 --Vmax-0电压扫描方式触发，同时打开光源。同 样会得到一组I-V曲线，器件从一开始的高阻态随着电压的增大跳变到低阻态，然后在负 向减小到0V时，又从低阻态回到了高阻态。I-V回线的开口随着触发电压的增大而逐步 增大。经过与暗态下（图4)比较发现，虽然光照下的阻变存储器的开关比变小，但仍然很大 (~1〇 3)，说明加入光源触发，可以引入更多阻态，如图6所示，从而无差错实现更近一步的多 级存储。
[0017] Ni0/Nb:SrTi03P-N结的光电双控多级阻变存储器的循环耐疲劳性如图7所示。 在暗态和光照下，施加一系列电压将器件触发到特定的高、低阻态后，再用一个小电压去读 取该器件的电流值，并使用程序计算电压除以电流得到器件的电阻值。连续触发和读取100 周，发现该器件的高、低阻态都很稳定。说明无论暗态和光照下的器件的工作特性都十分稳 定。
【附图说明】
[0018] 图1为Ni0/Nb:SrTi03 (晶向为（111)，Nb掺杂质量比为0. 5wt%)P-N结的光电 双控多级阻变存储器的结构示意图。
[0019] 图2为在晶向为（lll)Nb掺杂质量比为0. 5wt%的他:5^丨03单晶衬底上用脉 冲激光沉积方法沉积的NiO薄膜和晶向为（lll)Nb掺杂质量比为0. 5wt%的Nb:SrTi〇j9 单晶衬底的XRD图谱。
[0020] 图3为上下电极的欧姆接触I-V线性曲线和Ni0/Nb:SrTi03 (晶向为（lll)，Nb掺 杂质量比为〇. 5wt%)P-N结的整流特性曲线。
[0021] 图4为暗态下，Ni0/Nb:SrTi03 (晶向为（lll)，Nb掺杂质量比为0.5wt%)P-N结 的多级阻变存储器电压调控特性。
[0022] 图5为光照下，Ni0/Nb:SrTi03 (晶向为（111)，Nb掺杂质量比为0.5wt%)P-N 结多级阻变存储器电压调控特性。
[0023] 图6为暗态和光照下，Ni0/Nb:SrTi03 (晶向为（lll)，Nb掺杂质量比为0· 5wt%) P-N结光电双控多级阻变存储器的开关比。
[0024] 图7为暗态和光照下，Ni0/Nb:SrTi03 (晶向为（lll)，Nb掺杂质量比为0· 5wt%) P-N结光电双控多级阻变存储器的循环耐疲劳特性。（100个循环)。
[0025] 图8为暗态和光照下，Ni0/Nb:SrTi03(晶向为（lll)，Nb掺杂质量比为0· 5wt%) P-N结光电双控多级阻变存储器不同阻态下的暗电流和光电流。
【具体实施方式】
[0026] 以下结合附图和实施例对本发明作以下详细的描述： 如图 1 所示，Ni0/Nb:SrTi03(Nb掺杂质量比可以是 0. 7wt%，0. 5wt%，0. 1wt%， 0.05wt%任一种，晶向可以是（100) (110)和（111)三个方向任一种，下同）P-N结的光电 双控多级阻变存储器，包括P型NiO层，N型Nb:SrTi03S底层，In上、下电极。上电极与P 型NiO层正面要形成良好的欧姆接触。下电极