一种异质结及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体材料与器件技术领域，特别是涉及一种异质结及其制备方法。
【背景技术】
[0002]异质结是指由不同材料构成的多层膜结构，基于异质结中的多种物理学现象，使其在光电信息等领域具有广泛的应用。其中，利用异质结的电致电阻效应和磁电阻效应等物理学现象使得异质结在信息存储领域得到了广泛的应用。
[0003]电致电阻效应是指材料的电阻可以通过外电场来调控，实现其在高阻态和低阻态之间反复转变的现象，基于电致电阻效应的阻变存储器(RRAM，Resistive Random AccessMemory)由于其制备简单、操作电压低以及存储密度高等优点而在新型存储领域具有很大的发展空间；磁电阻效应是指材料的电阻可以通过外磁场来调控，实现电阻随磁场的变化而发生变化的现象，基于磁电阻效应的磁传感器、磁头以及磁电阻型的随机存储器等，由于其读写速度快、耗能少以及寿命长等优点而在磁存储等领域得到了广泛的发展。
[0004]然而，随着集成化程度的进一步提高和器件尺度的进一步减小，半导体器件已经越来越接近其物理极限，基于电致电阻效应的阻变存储器和基于磁电阻效应的磁传感器等的进一步发展也越来越难。
【发明内容】
[0005]本发明实施例中提供了一种异质结及其制备方法，以解决现有技术中异质结只能实现电致电阻效应或磁电阻效应的一种，在存储领域受到限制的问题。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案:
[0007]—种异质结，包括由半导体材料组成的第一电极层和由磁性氧化物材料组成的第二势皇层，以及在所述第一电极层和所述第二势皇层的接触面之间夹设的2-4nm厚的第一势皇层;所述第一势皇层为第一电极层中半导体材料的氧化物;所述第二势皇层的厚度为6-10nm，所述第二势皇层上还引出有第二电极;所述第一电极层为η型掺杂Si层，所述第一势皇层为Si02-V层，所述第二势皇层为CoFe2O4I层，其中，0.l<v<0.5,0.l〈w〈0.5。
[0008]优选的，所述第二势皇层在所述第一电极层所在的平面内的投影位于所述第一电极层之内。
[0009]优选的，所述第二电极为In电极。
[0010]优选的，异质结还包括绝缘体，所述绝缘体包覆所述第一势皇层和所述第二势皇层的全部外表面以及所述第一电极层和所述第二电极的部分外表面。
[0011 ] 优选的，所述绝缘体为HfO绝缘体，且所述绝缘体的厚度为10-16nm。
[0012]一种异质结的制备方法，包括:
[0013]步骤S100:在由半导体材料Si组成的第一电极层上覆盖设置有第一开口的第一金属掩膜板；
[0014]步骤S200:利用脉冲激光沉积设备，在覆盖有所述第一金属掩膜板的所述第一电极层上沉积磁性氧化物CoFe204，形成6-8nm厚的第二势皇层CoFe204-w层，0.l〈w〈0.5，并在所述第一电极层和所述第二势皇层的接触面上生成2_4nm厚的第一势皇层Si02-V层，0.1<ν<
0.5，其中沉积氛围为纯度高于99.99%的氧气，沉积压强在1.4-1.8Pa的范围内，沉积能量为300mJ，沉积时长为12-16分钟；
[0015]步骤S300:在所述第二势皇层上引出第二电极。
[0016]优选的，在步骤S200之后还包括:步骤S201:在所述第二势皇层上覆盖设置有第二开口的第二金属掩膜板，其中所述第二开口的内部设置有覆盖部，且所述覆盖部在所述第一电极层上的投影在所述第一开口的投影内，所述第一开口在所述第一电极层上的投影在所述第二开口的投影内；
[0017]步骤S202:利用脉冲激光设备，在真空度高于6X 10—5Pa的真空氛围中，控制沉积能量为200mJ的条件下，在覆盖有所述第二金属掩膜板的所述第二势皇层上沉积绝缘体HfO，沉积20-32分钟，形成10-16nm厚的Hf O绝缘体。
[0018]由以上技术方案可见，本发明实施例提供的异质结，设置有氧离子可在其中自由移动的第一势皇层和第二势皇层，通过调节氧离子的运动，便可在异质结中同时实现电致电阻效应与磁电阻效应，在电场和磁场的调控下，异质结可处于多重电阻状态，从而进一步增加异质结在多态存储以及模拟神经网络等诸多领域的发展前景。另外，第一势皇层采用在制备第二势皇层时控制条件自然生成的方式，不仅可简化制备工艺，还可使得第一势皇层和第二势皇层中氧离子的自由移动不受限制，更好的实现集电致电阻效应与磁电阻效应于一体。
【附图说明】
[0019]为了更清楚地说明本发明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，对于本领域普通技术人员而言，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。
[0020]图1为本发明实施例提供的一种异质结的结构示意图；
[0021]图2为本发明实施例提供的一种异质结的制备方法流程示意图；
[0022]图3为本发明实施例提供的一种异质结的电阻随电压变化曲线的示意图；
[0023]图4为本发明实施例提供的一种异质结的电阻随磁场变化曲线的示意图；
[0024]图示说明:
[0025]1-第一电极层，2-第一势皇层，3-第二势皇层，4-第二电极，5-绝缘体。
【具体实施方式】
[0026]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0027]为了实现未来信息存储和通讯领域对器件尺寸更小、密度更高、能耗更低以及寿命更长的要求，本发明实施例提供了一种异质结，可以实现集电致电阻与磁电阻效应于一体。图1为本发明实施例提供的一种异质结的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的一种异质结，包括由半导体材料组成的第一电极层I和由磁性氧化物材料组成的第二势皇层2，以及在第一电极层I和第二势皇层2的接触面之间夹设的2-4nm厚的第一势皇层2，其中，异质结的电阻主要来源于第一势皇层2，当第一势皇层2的厚度小于2nm时，异质结的电阻就会过小，从而不能具有电致阻变效应，而当第一势皇层2的厚度大于4nm时，异质结就会因为势皇层过厚，电子不能隧穿，从而不能具有磁电阻效应。
[0028]另外，第一势皇层2为第一电极层I中半导体材料的氧化物，在本发明实施例提供的异质结中，第一电极层I采用η型掺杂的Si层，第一势皇层2为S12I层，第二势皇层3为CoFe204-w层，其中Si02-V层为在氧氛围中制备CoFe204-w层时，在Si层和CoFe204-v层的接触面之间自然氧化形成的，当一定的条件下制备6-10nm的CoFe204-w层时，便会自动生成2_4nm厚的S12I层，其中S12I中V表示氧空位，且0.1〈ν〈0.5，表示S12I层中氧空位浓度在5%-25%之间，CoFe204-w层中，w表示氧空位，且0.l〈w〈0.5，表示CoFe204-w层中氧空位浓度在2.5%-12.5%之间，第一势皇层2和第二势皇层3均为含有氧空位的势皇层。其中，氧空位浓度如果高于上述范围，则导致S12I层中氧空位过多，从而更接近半导体导电特性，同时CoFe2O4I层中氧空位过多，更接近金属导电特性，因此过高的氧空位浓度会使得异质结的电阻过小，不能产生电致电阻效应和磁电阻效应;另外，氧空位浓度如果低于上述范围，则导致Si02-V层和CoFe204-w层中氧空位过少，氧离子不能在其中自由移动，不能实现电致电阻效应中电场对氧离子运动的调控，因此本发明实施例提供的异质结，通过控制氧空位的含量，控制氧离子在其中的运动，从而实现及电致电阻效应与磁电阻效应于一体。
[0029]此外，第二势皇层3上还引出有第二电极4，第二电极4和第一电极层I均用于连接外部电路，方便外部电路对异质结施加电压和电流。在本发明实施例提供的异质结中，第二电极4采用电阻较小，且易于制备的In电极。
[0030]为了便于本领域的技术人员更好的理解本发明实施例提供的异质结中能够集电致电阻效应和磁电阻效应的于一体原因，下面将对其产生机理进行详细说明。
[0031 ]由于在缺氧的氛围中制备，制备成的第一势皇层2和第二势皇层3均为含有大量氧空位的氧化物层，因此在外加电场的作用下，氧离子可以在第一势皇层2和第二势皇层3之间自由移动，当在异质结上施加正电压(即在第二电极4上施加正电压，而在第一电极层I上施加负电压)时，氧离子会由第一势皇层2移动至第二势皇层3，从而使得第一势皇层2中氧离子的含量减少，由于第一势皇层2为第一电极层I自然氧化而来，因此第一势皇层2中氧离子含量减少，便相当于第一势皇层2发生还原反应，第一势皇层2还原为第一电极层I，从而导致第一势皇层2厚度减小，而第一电极层I厚度增加。由于异质结的电阻主要来源于第一势皇层2，故第一势皇层2厚度的减小便会而引起异质结的电阻减小，即异质结的电阻随着正电压的施加而减小；同理，当在异质结上施加负电压(即在第二电极4上施加负电压，而在第一电极层I上施加正电压)时，异质结的电阻会随着负电压的施加而增大。由此产生的便是异质结的电致电阻效应，其电阻随外加电压的变化如图3所示，图中的箭头表示电阻随电压走向的变化，其中，低阻态表示电阻较低的状态，高阻态表示电阻较高的状态，Vre3se3t表示异质结电阻由低阻态变为高阻态时所需的电压，Vse3t表示异质结电阻由高阻态变为低阻态时所需的电压。由图中可以看出，本发明实施例提供的异质结具有良好的电致电阻效应，其电阻随外加电压的变化，在高阻态和和低阻态之间变化，其中电阻最大值是电阻最小值的70倍。
[0032]另外，本发明实施例提供的异质结，其磁电阻起源于第二势皇层3S卩CoFe2O4I层的自旋过滤效应，由于第二势皇层3S卩CoFe204-w中不同自旋方向的势皇高度不同，其中磁场变化下的磁电阻也不相同。当调节电阻值高阻态时，氧离子聚集于第一势皇层2中，而第二势皇层3中则有大量的氧空位，大量氧空位的存在则直接增强第二势皇层3的磁性，增大势皇的自旋劈裂大小，从而增强其自旋过滤效应，并增大磁电阻的大小。其电阻随外加磁场的变化如图4所示，图中显示的是异质结的电阻随磁场的变化，由图中