[发明专利]一种钛酸钡单晶外延薄膜阈值开关器件及其制备方法

说明书

本申请公开一种钛酸钡单晶外延薄膜阈值开关器件及其制备方法，属于物理化学合成和电子信息技术领域，所述制备方法包括如下步骤：（1）以NSTO为基片，将清洗好的NSTO基片放入脉冲激光沉积系统，以钛酸钡陶瓷为靶材，进行钛酸钡薄膜生长，生长完毕进行原位退火，在氧气氛保护下降温至室温，取出样品；（2）钛酸钡薄膜表面盖上掩膜版，蒸镀铬薄膜；（3）再在铬薄膜上热蒸镀金属Au薄膜；（4）在基底背面压金属铟丝或铟粒，作为下电极，即得到单晶外延钛酸钡薄膜阈值开关器件，所述器件的结构为Au/Cr/BTO/NSTO/In。

技术领域

本发明涉及物理化学合成和电子信息技术领域，具体涉及一种钛酸钡单晶外延薄膜阈值开关器件及其制备方法。

背景技术

很多氧化物材料具有双稳阻态，开关速度高达纳秒量级，功耗低达微瓦，从而可以用于非挥发性阻变存储器（RRAM）。然而，RRAM器件受到漏电流引起潜在电流通道的影响，限制了其发展。使用阈值阻变器件与RRAM串联可以减小漏电流，从而解决潜在电流通道问题。所以，阈值阻变器件对于实现RRAM存储器应用很关键。另外，阈值阻变效应还可以用于神经网络计算的突触器件。

钛酸钡BaTiO₃（BTO）作为著名的铁电和压电材料，早在1942年就已经为美、苏学者所发现。除了铁电效应，钛酸钡薄膜还具有双极性和单极性阻变特性。现有的掺铌钛酸锶Nb:SrTiO₃（NSTO）为基片的忆阻器大多为常规金属（Pt、Au）/BTO/NSTO/结构，有稳定的双极性或单极性阻变现象。近来有报道称BaTiO₃非晶薄膜具有阈值阻变效应。本发明通过实验研究，在真空条件下，在 BaTiO₃/NSTO外延异质结上蒸镀一层金属铬和金薄膜电极，金属铟作为下电极，通过改变器件结构来获得新的电学特性，制备得到了一种具有Au/Cr/BTO/NSTO/In结构的阈值开关器件；从常规金属（Pt、Au）/BTO/NSTO/In到Au/Cr/BTO/NSTO/In的变化改变了阻变特性，得到稳定的阈值开关特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钛酸钡单晶外延薄膜阈值开关器件及其制备方法。

为实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种钛酸钡单晶外延薄膜阈值开关器件的制备方法，所述器件结构为Au/Cr/BTO/NSTO/In。包括以下步骤：

（1）将掺铌钛酸锶单晶（NSTO）基片，分别依次用丙酮，无水乙醇和去离子水超声清洗5分钟；

（2）将清洗好的NSTO基片放入脉冲激光沉积系统（Pulsed Laser Deposition），调节靶材与基板间距，将脉冲激光沉积系统密封并抽至本底真空，然后充入高纯氧气至指定气压，将衬底温度升至设定的温度，选择合适的BTO生长条件，进行BaTiO₃薄膜生长，生长完毕进行原位退火，在氧气氛保护下降温至室温，取出样品；

（3）在钛酸钡薄膜表面盖上掩膜版，蒸镀铬（Cr）薄膜；

（4）在铬薄膜上热蒸镀金属Au；

（5）在基底背面压金属铟丝或铟粒，使之与NSTO衬底形成欧姆接触，作为下电极，即得到单晶外延钛酸钡薄膜阈值开关器件，所述器件的结构为Au/Cr/BTO/NSTO/In。

根据上述的制备方法，优选地，步骤（1）中所述掺铌钛酸锶单晶基片选用（100）晶面，掺铌量为0.7wt%的商用基片。

根据上述的制备方法，优选地，步骤（2）中所述的生长条件为：靶材与基板间距为5cm，2.0×10^-4 Pa本底真空度；1 Pa氧压；衬底温度700℃；激光能量300 mJ；激光重复频率：5Hz；生长时间15分钟；原位退火10 min。