一种新型贴片式忆容器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子器件领域，具体是通过电压调控硅衬底上的金属/氧化物异质结而实现非易失性电容开关比例超过1000倍的新型贴片式忆容器。
【背景技术】
[0002]忆容器是指在某种外界激励下电容发生非挥发性改变的电子器件。这种器件的用途非常广泛，既可用于信息存储、可重构输电线路，又可在人工智能中用于模拟学习、自适应和自发行为。现有的忆容器技术主要是通过某种装置来改变电容器结构而得到电容的非挥发性改变，例如通过改变平行板电容器两个极板间的距离或者改变极板截面积等方式来实现。这样的忆容器结构复杂、体积大、电容可调节范围小、控制不方便，难以在集成电路或一些精密设备中使用。
【发明内容】
[0003]发明目的:针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是通过基于硅衬底上的金属/氧化物异质结结构提供一种具有电容开关比超过1000倍的新型贴片式忆容器及其制备方法。
[0004]技术方案:为实现上述发明目的，本发明采用的第一种技术方案为一种新型贴片式忆容器，包括自下至上依次设置的硅衬底、第一金属薄膜、第一氧化物薄膜、第二氧化物薄膜和第二金属薄膜，其中，所述第一金属包括Au、Cu、Pt、Ag、Co中的一种，所述第一氧化物包括T12、Hf 02、TaO2、SrTi PxNbx03中的一种，0〈x〈0.01，所述第二氧化物为ABO3型钙钛矿氧化物，其中，A为Dy、Gd、Tm、Lu、Tb中的一种或多种金属离子，B为Fe或Mn，第二金属为Au或Pt;在所述第一金属薄膜和第二金属薄膜上引出电极。
[0005]本发明采用的第二种技术方案为一种制备如上所述新型贴片式忆容器的方法，包括如下步骤:
[0006](I)采用磁控溅射法在硅衬底上制备第一金属薄膜；
[0007](2)在所述第一金属薄膜上脉冲激光沉积制备第一氧化物薄膜；
[0008](3)在所述第一氧化物薄膜上采用磁控溅射法制备第二氧化物薄膜；
[0009](4)在所述第二氧化物薄膜上采用离子溅射仪制备第二金属薄膜。
[0010]有益效果:(I)本发明器件性能好，稳定性强。器件的高/低电容比值高达1000倍，响应时间小于10ns，循环次数超过18次。同时具备较高电阻开关比值的忆阻行为。(2)本发明器件采用金属/氧化物异质结三明治结构，结构简单、制备方便、体积小，适合三维堆垛结构中，具有高集成度的特点。(3)本发明器件操作简单，制备好后无需经过任何处理就可通过施加脉冲电压实现器件功能。(4)本发明器件功能多，应用范围广，不仅可以应用于非易失性存储器中，还可在人工智能领域中用于模拟学习、自适应和自发行为。
【附图说明】
[0011]图1是本发明的器件的构造和电极结构示意图；
[0012]图2是本发明的器件的电容-脉冲电压(Vwrite)回线图，电容值是在相应Vwrite脉冲结束后再用频率IkHz振幅0.1V的交流信号测得的；
[0013]图3是本发明的器件的电阻-Vwrite回线图；电阻值是在相应Vwrite脉冲结束后再用固定直流偏压(0.5V)测得的；
[0014]图4是本发明的器件的高电阻态和低电阻态的时间特性图；
[0015]图5是在半高宽8ns振幅9.6V的脉冲电压操作下器件的“开”和“关”行为；
[0016]图6是本发明的器件在经过18次循环开关后的开关特性图；
[0017]图7是本发明的器件的等效并联电容与并联电阻随直流偏压的关系图；
[0018]图8是电流绝对值与直流偏压的关系图；
[0019]图9是当器件分别处于HRS和LRS状态下时的电流-偏压特性图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0021]目前，不管下一代的存储器还是未来的人工智能技术，除了要求忆容器要有高性能、高响应速度和高稳定性外，还需要可三维堆垛、可集成。因此，发明一种高可调范围的贴片式忆容器，既能在多种应用场合中满足性能方面的要求，同时又能实现三位堆垛，并能方便于高密度集成，具有非常巨大的应用前景和市场。
[0022]具体的，在硅衬底上采用磁控溅射法、脉冲激光沉积和离子溅射仪依次制备金属-1、氧化物-A和氧化物-B、金属-1I等薄膜，然后在金属-1和金属-1I层引出电极制成本发明的器件，如图1所示。
[0023 ] I)材料选择:氧化物-A 选用 T i O2、HfO2、TaO2、SrT i 1-xNbx03 (0〈χ〈0.01)中的一种。氧化物-B采用ABO3型钙钛矿氧化物，其中，A为Dy、Gd、Tm、Lu、Tb中的一种或多种金属离子，B为Fe或Mn。金属-1选用Au、Cu、Pt、Ag、Co等金属中的一种;金属-1I用Au或Pt。
[0024]2)薄膜的具体生长工艺如下:
[0025](a)磁控溅射法制备金属-1薄膜:选用表面光滑的硅衬底(粗糙度小于5nm)，腔内真空度10—5Pa,硅衬底温度100°C至300°C，金属-1薄膜的粗糙度小于5nm，厚度约100-500nm。
[0026](b)脉冲激光沉积制备氧化物-A薄膜:沉积前把硅衬底的温度升至500°C至700°C，氧分压调节到10—5Pa至102Pa，随后调节激光器能量为100?300mJ，频率在I?5Hz;氧化物-A/金属-1界面的起伏度不超过5nm。
[0027](c)磁控溅射法制备氧化物-B薄膜:硅衬底温度为400 °C至700 V，气压:0.0I?50Pa，O2气氛下，溅射功率为100W-1500W，沉积完毕后在600 °C至700 °C间退火10-30分钟，厚度约200-1000nm。氧化物-B薄膜的颗粒大小超过50nm。
[0028](d)离子溅射仪制备金属-1I薄膜:腔内真空度10Pa，溅射电流4?6mA，溅射3?5次，每次溅射2分钟。氧化物-B薄膜金属-1I薄膜是欧姆接触。
[0029](e)本发明的器件的两个电极分别由金属-1I和金属-1I薄膜引出。
[0030]3)本发明的器件电阻电容开关的操作与读取。施加正的或者负的电压脉冲到器件的两个电极即可对器件的电阻态和电容态进行开关操作，然后再用一个固定大小的小电压读取器件的电阻态。若要