[发明专利]一种基于氧化镓薄膜的单极型阻变存储器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于非易失性存储器件技术领域，具体涉及一种基于Pt/Ga₂O_3-x/Pt三明治结构的单极型阻变存储单元及其制备方法。

技术背景

近年来，鉴于阻变存储器(Resistive Random Access Memory,RRAM)的存储单元结构简单、工作速度快、功耗低、信息保持稳定、具有不挥发性，且易于实现三维立体集成和多值存储，有利于提高集成密度等多方面的优越性能，引起了科研人员的广泛关注，并成为新一代存储技术研究的热点。阻变存储器通常由金属/绝缘层/金属三明治结构构成，金属层为上、下电极，而中间绝缘层则为阻变材料。当在两个电极之间施加一定幅度和一定宽度的脉冲电压，阻变层材料就会在高、低两个稳定的阻态之间进行可逆的转换，可以进行“0”和“1”信息稳定的存储，从高阻态到低阻态的过程称之为“Set”，而低阻态到高阻态的过程则称之为“Reset”。

阻变存储器根据其实现高、低阻态转变所需施加电压的极性可分为两类：单极型(Unipolar)阻变存储器和双极型(Bipolar)阻变存储器。前者指的是在不同大小的电场作用下发生阻变效应，与电场的方向无关；而后者则是在不同极性电压作用下发生阻变效应，即正向电压作用下，电阻从低阻态变为高阻态；相反，在反向电压作用下，电阻从高阻态变为低阻态。相比于双极型，单极型阻变存储器具有高低阻值比大、存储密度高、易读取等优点受到了科研人员的青睐。更为重要的是，在阻变储存器的应用方面，为了防止阻变存储单元交叉阵列结构间的误读，科研人员往往在每个阻变单元上串联一个整流二极管，这使得只有无极性的单极型阻变存储才适合该改造，而双极型的阻变储存则失去了其原有的功能。

氧化镓禁带宽度大(～4.9eV)，暗电流小，具有无毒、无害、成本低和紫外可见光透过率高等优点，并对氧极为敏感，是一种很有研究价值的氧化物薄膜存储材料。目前报道的有关氧化镓薄膜的阻变存储器都为双极型阻变行为，并且其阻变机制还存在较大争议，如Gao等认为其阻变行为是由氧空位导电细丝引起[APL,97,193501(2010)]，而Aoki等则认为其是由氧离子体效应引起[Nature Commun.5,3473(2014)]。然而，关于氧化镓薄膜的单极型阻变行为至今却没见报道。

本发明制备并观测到了氧化镓薄膜单极型阻变行为，系统地测试了其重复性、保持性等。该发明为氧化镓基薄膜单极型阻变存储器的应用提供理论和技术支持。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阻变性能好、读写操作重复性和稳定性好的氧化镓薄膜单极型阻变储存器及其制备方法。

本发明是以下述技术方案得以实现的：

一种基于氧化镓薄膜的单极型阻变存储器，其特征在于：由下电极、阻变层和上电极构成，阻变层为氧化镓薄膜，氧化镓的成分为Ga₂O_3-x，其中x为0.2—0.4，氧化镓阻变层的厚度为250nm—350nm，上电极、下电极均为Pt金属，上电极为点电极，直径为200μm。作为更佳选择，其中x为0.3，氧化镓阻变层的厚度为300nm；

一种基于氧化镓薄膜单极型阻变存储器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)以Pt/Ti/SiO₂/Si为衬底，用粘有酒精的棉球擦洗干净，自然晾干；

(2)将清洗干净的Pt/Ti/SiO₂/Si衬底用硅片挡住一部分，在衬底中未用硅片挡住部分采用激光脉冲沉积技术生长氧化镓薄膜，具体操作参数如下：工作气压1×10^-6Pa，衬底温度300℃，靶基距5cm，激光能量4.5J/cm²—5.5J/cm²，激光频率2Hz，激光脉冲次数5000下；

(3)将步骤(2)中制备的氧化镓薄膜用掩膜板遮挡，采用射频磁控溅射方法溅射一层厚度为150nm、直径为200μm的Pt点电极作为上电极，溅射工艺条件如下：本底真空小于10^-4Pa，衬底温度室温，工作气氛为Ar气，工作气压为0.8Pa,溅射功率为40W，溅射时间为5min。

本发明以Pt/Ti/SiO₂/Si衬底为下电极，通过激光脉冲沉积技术生长非晶氧化镓薄膜作为阻变层，再通过磁控溅射的方法溅射直径为200μm的Pt点电极作为上电极，制备了Pt/Ga₂O_3-x/Pt三明治结构，具体步骤如下：