SrBi2Ta2O9单晶超薄膜的制备方法及基于其的忆阻器

本发明属于电子薄膜材料与器件领域，涉及一种无机钙钛矿氧化物srbi2ta2o9(sbt)单晶超薄膜的制备与忆阻器应用。

背景技术：

1、近年来，铁电(fe)薄膜材料的隧道电阻效应(ter)引起了广泛关注，特别是在铁电随机存取存储器(feram)和类脑神经模拟训练中，模拟神经元轴突和树突之间的信息传递和信息抑制活动，具有传统忆阻器不具备的优点：低功耗、坚固耐用、稳定性好、超快器件开启速度、显著的抗疲劳性能。用于开发feram的两种经典存储材料分别是pb(zrxti1-x)o3(pzt)和srbi2ta2o9(sbt)。sbt具有比pzt(铅为有毒元素)更好的抗疲劳性，更长的信息存储能力，更低的漏电流，更好的循环开关极化(1012次翻转耐疲劳特性)。由于sbt的c轴晶格常数远远大于a轴和b轴的晶格常数，因此薄膜优先沿c轴方向生长，得到的多晶sbt(薄膜和块体)一般为c轴方向择优取向。然而，c轴方向存在镜面对称，不存在自发极化，沿a轴自发极化的晶粒较小，故以往的研究中sbt剩余极化大多较小。如何通过制备沿面内a轴择优取向的sbt来提高剩余极化是目前课题的研究前提。

2、此外，考虑到硅基铁电忆阻器的实际应用，研究人员在摩尔定律下进行超薄纳米器件设计。基于超薄无机氧化物铁电隧穿结(ftjs)的铁电忆阻器与传统的忆阻器相比，相对较小的操作电压、突出的节能前景、非挥发性数据保留和非破坏性读取，以及其优越的生物突触特性，成功地使神经形态计算架构与模式识别效率超过90％，是理想的多功能电子设备。薄膜异质结是固态器件技术的支柱，下一代固态器件需要在常规衬底上集成各种功能材料，如si(100)衬底上的pzt系统，用于集成计算机芯片上的功能器件，由此，基于ter效应的特殊器件，超薄铁电隧道结(ftjs)成为传统记忆电阻器的理想替代品，如金属-铁电-金属(mfm)结构(特别是超薄铁电隧道结的mfm结构)仿生人工突触器件的铁电材料形态依赖性。这种集成需要在芯片上外延生长不同的功能材料，总不匹配范围可能从<1％到>25％。以往的研究经验，当错配<7％时，薄膜以单晶结构外延生长。研究表明，铁电薄膜的晶格结构对薄膜的开关时间尺度、能量、开关可靠性和模拟态都有很大的影响。具有最佳晶体质量的器件在亚纳秒范围内显示出了预期的切换时间尺度和最小的周期循环切换差异性。由于其高质量的单晶结构、低晶界密度和势垒，避免因高缺陷密度引起的钉扎效应，可以实现低功耗、超快的极化反转速度，并具有超高的器件循环稳定性。因此，从实际应用的角度分析，基于单晶超薄膜的硅基铁电忆阻器具有巨大的研究价值。

技术实现思路

1、针对sbt薄膜材料的铁电极化局限性及传统忆阻器存在的不足，本发明提出了一种具有严格沿面外铁电极化取向的sbt单晶超薄膜的制备方法，获得赖于极性翻转性能的优良ter效应，基于该薄膜构建一种快速响应、耐翻转疲劳稳定、可塑性强的忆阻器，并展示了它的神经突触经典功能。

2、本发明为实现目的，采用如下技术方案：

3、本发明首先提供了sbt单晶超薄膜的制备方法，其特点在于：在衬底上生长pt薄膜作为缓冲结构，然后利用激光分子束外延沉积(l-mbe)技术在pt薄膜上沉积sbt单晶超薄膜。pt薄膜作为缓冲结构形成sbt成核位点，诱导sbt沿界面能较小的(200)晶面单晶生长。

4、进一步地，sbt单晶超薄膜的制备方法，包括如下步骤：

5、步骤1、合成作为缓冲结构的pt薄膜

6、在ar气氛围中，利用磁控溅射在sio2/si衬底上依次溅射ti薄膜和pt薄膜；

7、步骤2、合成sbt单晶超薄膜

8、采用激光分子束外延沉积技术，衬底到靶材的距离为5cm，衬底温度为700℃，预热10min后，在400mtorr的氧气压力下，采用有效能量为105mj的248nm krf准分子激光器，烧蚀成分为99.99％的高纯度sbt靶材，产生羽辉，形成的气相原子沉积位置在锥形羽辉的2/3处，脉冲溅射频率为0.7hz-2.5hz，沉积完成后，样品在相同的氧压条件下750℃下退火40min，自然冷却，即获得sbt单晶超薄膜。

9、进一步地，本发明利用l-mbe技术，以不同的沉积速率确定最低能量结构状态，解决生长热力学和动力学平衡，从而可以生长出多晶超薄膜(无明显铁电性)、单晶超薄膜(严格沿面外极化的铁电性)、多晶厚膜(由面外极化逐步倾向于面内极化)。当脉冲溅射频率为0.7hz-2.5hz、薄膜厚度在4～6nm时，所得sbt超薄膜为单晶结构。可利用不同的晶格结构、厚度调控材料极性大小和方向。

10、进一步地，本发明所得sbt单晶超薄膜沿面内(200)晶面生长。

11、本发明进一步公开了一种基于上述sbt单晶超薄膜的忆阻器，具体是以sio2/si衬底为基底，以上述作为缓冲结构的pt薄膜直接作为mfm结构的底电极，在pt薄膜上按上述方法生长sbt单晶超薄膜，再在sbt单晶超薄膜上设置作为顶电极的au电极。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

13、1、本发明摸索了外延沉积的条件，包括是否设置pt薄膜作为缓冲结构、采用其他的衬底(如直接采用srtio3(sto)或laalo3(lao)衬底)、设置其他的薄膜作为缓冲结构(如在sio2/si衬底上生长sto缓冲层)、不同的氧压、不同的激光能量、不同的生长温度(550～850℃，以50℃为间隔)、原位退火等，最终根据x射线衍射(xrd)的衍射峰强度、位置、半峰宽确定了能够制得sbt单晶超薄膜的工艺条件。本发明所制备的sbt单晶超薄膜是沿平面内(200)晶面择优取向的单晶，其在约5nm的几个单胞层厚度下仍然具有严格的面外极化。

14、2、本发明构建了基于sbt单晶超薄膜mfm结构的铁电隧道结(ftj)器件，具有严格的沿平面外方向极性翻转的能力，并具有较高的ter(2145％)效应。与sbt多晶厚膜集成的器件(传统的忆阻器结构)相比，基于sbt单晶超薄膜的ftjs缩短了至少两个数量级的非易失性内存编程时间，在类生物突触人工模拟方面体现了优越的纳秒超快响应时间、更长的可塑性持续时间(16倍触发时间)、106次开关疲劳稳定性，为小尺寸单晶超薄ftj器件及其阵列系统应用于下一代新型疲劳稳定和快速响应的便携式电子设备提供了实验基础。

技术特征：

1.srbi2ta2o9单晶超薄膜的制备方法，其特征在于：在衬底上生长pt薄膜作为缓冲结构，然后利用激光分子束外延沉积技术在pt薄膜上沉积srbi2ta2o9单晶超薄膜。

2.根据权利要求1所述的srbi2ta2o9单晶超薄膜的制备方法，其特征在于：所述衬底为sio2/si衬底。

3.根据权利要求1或2所述的srbi2ta2o9单晶超薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的srbi2ta2o9单晶超薄膜的制备方法，其特征在于：所述srbi2ta2o9单晶超薄膜沿面内(200)晶面生长。

5.根据权利要求3所述的srbi2ta2o9单晶超薄膜的制备方法，其特征在于：所述srbi2ta2o9单晶超薄膜的厚度为4～6nm。

6.一种权利要求1～5中任意一项所述制备方法所制得的srbi2ta2o9单晶超薄膜。

7.一种基于权利要求6所述srbi2ta2o9单晶超薄膜的忆阻器。

8.根据权利要求7所述的忆阻器，其特征在于：所述忆阻器是在sio2/si衬底上形成有作为底电极的pt薄膜，在所述pt薄膜上形成有所述srbi2ta2o9单晶超薄膜，在所述srbi2ta2o9单晶超薄膜上形成有作为顶电极的au电极。

9.一种权利要求7或8所述忆阻器作为仿生人工突触器件的应用。

技术总结
本发明公开了SrBi<subgt;2</subgt;Ta<subgt;2</subgt;O<subgt;9</subgt;单晶超薄膜的制备方法及基于其的忆阻器，利用Pt薄膜作为缓冲结构通过激光分子束外延(L‑MBE)技术制得了SrBi<subgt;2</subgt;Ta<subgt;2</subgt;O<subgt;9</subgt;(SBT)单晶超薄膜，并构建了基于SBT单晶超薄膜金属‑铁电‑金属(MFM)结构的铁电隧道结(FTJ)器件，具有严格的沿平面外方向极性翻转的能力，并具有较高的隧道电阻效应(TER，2145％)。与SBT多晶厚膜集成的器件相比，基于SBT单晶超薄膜的FTJs缩短了至少两个数量级的非易失性内存编程时间，在类生物突触人工模拟方面体现了优越的纳秒超快响应时间、更长的可塑性持续时间、10<supgt;6</supgt;次开关疲劳稳定性，为小尺寸单晶超薄FTJ器件及其阵列系统应用于下一代新型疲劳稳定和快速响应的便携式电子设备提供了实验基础。

技术研发人员：胡雪峰,谭莉萍,章伟
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31