CN105244362A - 一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性阻变存储器及其制备方法 - Google Patents

一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性阻变存储器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性阻变存储器及其制备方法。本发明低功耗柔性ReRAM从上至下依次包括TE层、ZnO层、ITO/PET层，其中TE层为功函数大于ZnO功函数的Pt、Cu或Au。该方法是ITO/PET柔性衬底作为下电极，通过溅射法制备ZnO薄膜，得到ZnO/ITO/PET；将ZnO/ITO/PET基体放于沉积室内，用掩模法通过电子束蒸发金属上电极，使得ZnO薄膜上沉积金属薄膜电极，最终得到柔性TE/ZnO/ITO/PET器件。本发明通过ZnO薄膜本身的压电效应来调控其set和reset电压，以期减小器件的操作电压，降低器件的功耗，从而延长器件的寿命。

Description

一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性阻变存储器及其制备方法
技术领域
本发明属于非易失性阻变存储器件技术领域，涉及到一种低功耗的非挥发型柔性电阻式随机读取存储器。
背景技术
随机读取存储器(RAM)是计算机数据存储的一种重要形式，主要用作主存储器(内存),具有超高的存取速度和写入耐久性，如静态RAM(SRAM)的读写时间均小于0.3ns，读写寿命可高达1016次。然而，RAM具有易失性,断电后数据丢失。快闪存储器(flashmemory)作为目前最先进的非易失性存储器,却存在存储速度慢(105～106ns)，耐久性低(写寿命约为105次)等问题。此外，随着晶体管趋向于亚微米级,一系列的问题开始出现，包括制作工艺的困难和器件性能的限制如电子的运行难以控制等,基于晶体管的传统存储技术遇到了发展瓶颈,快闪存储器将会在十年内达到体积缩小的极限。同时，由于密集光刻成本的增加，器件本身存在物理缺陷等原因，CMOS技术也将达到其发展的极限。因此,迫切需要研发新的非易失性存储器件和技术，以满足对初、中级存储设备不断增长的高密度、低功耗和高速度的要求。阻变存储器(ReRAM)具有纳米级尺寸、快速转换(<10ns)、高耐久性(1010次)、多状态操作、可堆栈性以及与CMOS工艺相兼容性等特点，为半导体存储技术的发展带来新的希望。特别是基于金属氧化物双稳态电阻开关特性的ReRAM具有快的读写时间(几十个纳秒)、较低的处理温度(低于300℃)且与3维堆垛结构相兼容等优点。因此，基于金属氧化物的ReRAM有望成为最具潜力的新一代存储器。
在电阻开关现象中，施加于器件两端的偏压从0开始逐步增加,当电压达到一定值时，通过器件的电流瞬间增大，ReRAM从初始状态的高阻态转换为低阻态。这一过程被称为置位(set)，相当于存储器中的信息写入过程。当偏压再次从0增大到某一值时，通过器件的电流由大瞬间变小，ReRAM从低阻态回复到高阻态。这一过程被称为复位(reset)，相当于存储器中的信息擦除过程。ZnO作为一种宽禁带半导体及最重要的功能材料之一，受到了研究人员的广泛关注。应用ZnO独特的电学、光学、力学及压电特性，人们已研发出ZnO纳米线/带基场效应晶体管、紫外激光器、光电阻变开关、发光二极管、太阳能电池、压电传感器及驱动器。更重要的是，把ZnO的半导体性能和压电特性相耦合，发明了纳米发电机、压电场效应晶体管、压电二极管及压电化学传感器，这些都是压电电子学的基本构件。ZnO薄膜基ReRAM的研究始于2007年，目前还存在操作电压大、器件功耗高等问题，这些问题的存在延长了器件的操作时间，使器件功耗增加，大大减少了器件的寿命。
压电效应是指特定晶体材料在应力作用下变形时所产生电压的现象，即一种机械能与电能互换的现象，压电材料在拉、压应力作用下，材料内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。理论研究表明，当金属与压电半导体接触时，界面形成肖特基势垒，金属这一侧电子能带的变化可以忽略。而半导体的能带结构发生弯曲，最大的能带弯曲发生在界面处，而远离界面处的能带结构未有变化。如果在金属-压电半导体界面有正的残余压电电势，那么势垒高度会减小。足够大的残余压电电势(大于肖特基势垒高度)可以把肖特基势垒变为欧姆接触。如果在金属-压电半导体界面有负的残余压电电势，那么势垒高度会进一步增大，形成具有高阈值电压的肖特基二极管。除了定性分析外，一些实验结果也与上述所说的界面能带工程模型相吻合。
发明内容
本发明的一个目的是针对现有技术的不足，提供一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性ReRAM，该低功耗柔性ReRAM是利用外力作用来实现低功耗ReRAM。将ZnO的半导体性能和压电特性相结合，在柔性PET衬底上制备基于ZnO薄膜的ReRAM；改变作用在柔性衬底上的应力，使得ZnO薄膜中应变极性发生相应的改变，进而实现对器件的Set和Reset电压的调控，从而最终获得低功耗的柔性ReRAM。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
本发明低功耗柔性ReRAM从上至下依次包括TE层、ZnO层、ITO/PET层，其中ITO/PET为实验室常用ITO导电膜,面电阻小于35±5Ω；TE层为若干个直径100μm的圆形金属上电极(TE)，选用功函数大于ZnO功函数(4.2eV)的金属Pt、Cu或Au；其中ZnO层的厚度范围为50～150nm，TE层的厚度范围为100～120nm。
本发明的另一个目的是上述低功耗柔性ReRAM的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤(1)、ITO/PET柔性衬底作为下电极，通过溅射法制备ZnO薄膜：以ITO/PET作为衬底，通过溅射法在衬底表面形成ZnO薄膜，得到ZnO/ITO/PET；
所述的ZnO薄膜的厚度范围为50～150nm，可通过调节溅射条件来控制的ZnO厚度。
所述的ITO/PET为实验室常用ITO导电膜,面电阻小于35±5Ω，可通过购买获得；
作为优选，溅射条件：压强保持在0.1～0.3Pa，Ar流量为10～30sccm，溅射功率为55W，沉积时间控制在30～90分钟。
步骤(2)、金属上电极(TE)的制备：
将制备得到的ZnO/ITO/PET基体放于沉积室内，用掩模法通过电子束蒸发金属上电极，使得ZnO薄膜上沉积金属薄膜电极，最终得到柔性TE/ZnO/ITO/PET器件；
所述的金属上电极(TE)可以选用功函数大于ZnO功函数(4.2eV)的Pt、Cu、Au薄膜做上电极,上电极金属薄膜的厚度范围为100～120nm。
掩模法条件：直径为100μm的圆形金属上电极(TE)在电子束蒸发镀膜仪中通过不锈钢掩模板沉积在ZnO薄膜上。
电子束蒸发条件：在制备所得的ZnO薄膜上，放置一片冲有圆孔的不锈钢掩模板以遮挡下电极和部分ZnO薄膜，再将ZnO/ITO/PET基体及掩模板送入电子束蒸发镀膜仪中。当腔体的本底真空抽至6×10-5Pa时，打开蒸发挡板向ZnO薄膜上沉积金属上电极。
本发明的有益效果：本发明通过ZnO薄膜本身的压电效应来调控其set和reset电压，以期减小器件的操作电压，降低器件的功耗，从而延长器件的寿命。在压应变下，ZnO/TE界面有正的残余压电电势，那么势垒高度会减小，使得set及reset电压减小。而在拉应变下，ZnO/TE界面有负的残余压电电势，那么势垒高度会进一步增大，使得set及reset电压增大。
附图说明
图1为Cu/ZnO/ITO/PET器件置于PMMA悬臂梁的结构示意图；
图2为Cu/ZnO/ITO/PET器件无应变时set、reset电压的变化；
图3为Cu/ZnO/ITO/PET器件在拉应变下set、reset电压的变化；
图4为Cu/ZnO/ITO/PET器件在压应变下set、reset电压的变化。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
以下实施例采用将本发明柔性TE/ZnO/ITO/PET样品固定于PMMA悬臂梁的底部，如图1所示。悬臂梁可以左右弯曲来获得不同的应变。由于悬臂梁的厚度远大于ZnO薄膜的厚度，我们认为ZnO薄膜中可以产生均匀的压/拉应变。因此，ZnO薄膜上的应变可以通过此悬臂梁来量化。记录悬臂梁在拉应变/压应变情况下的变形量，根据材料力学中的形变公式，获得相应的应变值。阻变性能分析：采用I-V曲线测试仪分析柔性ZnO基ReRAM的电学性能。
实施例1：
1.ZnO薄膜的射频磁控溅射
分别在丙酮、乙醇及以去离子水中超生清洗ITO/PET衬底，然后氮气吹干。在溅射过程中，***压强保持在0.2Pa，Ar流量为20sccm，溅射功率为55W，沉积时间30分钟，薄膜厚度范围为50nm。
2.金属铜上电极的电子束蒸发
在制备所得的ZnO薄膜上，放置一片冲有圆孔的不锈钢掩模板以遮挡下电极和部分ZnO薄膜，再将样品及掩模板送入电子束蒸发镀膜仪中。当腔体的本底真空抽至6×10-5Pa时，打开蒸发挡板向ZnO薄膜上沉积厚度为100nm的金属Pt上电极。
3.电学性能测试
通过控制作用在悬臂梁上力的大小，给器件施加0.1％的拉/压应变，用I-V曲线测试仪分别测试器件在无应变及拉/压应变情况下的set、reset电压的变化。在无应变时，30次循环测试表明，set电压的平均值为1.982V，而reset电压的平均值为3.501V。30次循环测试表明，0.1％压应变下set电压的平均值为1.759V，而reset电压的平均值为3.314V。30次循环测试表明，0.1％拉应变下set电压的平均值为2.169V，而reset电压的平均值为3.712V。
实施例2：
1.ZnO薄膜的射频磁控溅射
分别在丙酮、乙醇及以去离子水中超生清洗ITO/PET衬底，然后氮气吹干。在溅射过程中，***压强保持在0.1Pa，Ar流量为30sccm，溅射功率为55W，沉积时间60分钟，薄膜厚度范围为100nm。
2.金属上电极的电子束蒸发
在制备所得的ZnO薄膜上，放置一片冲有圆孔的不锈钢掩模板以遮挡下电极和部分ZnO薄膜，再将样品及掩模板送入电子束蒸发镀膜仪中。当腔体的本底真空抽至6×10-5Pa时，打开蒸发挡板向ZnO薄膜上沉积厚度为100nm的金属铜上电极。
3.电学性能测试
通过控制作用在悬臂梁上力的大小，给器件施加0.1％的拉/压应变，用I-V曲线测试仪分别测试器件在无应变及拉/压应变情况下的set、reset电压的变化。
如图2所示，在无应变时，30次循环测试表明，set电压的平均值为2.167V，而reset电压的平均值为3.693V。
如图3所示，30次循环测试表明，0.1％压应变下set电压的平均值为1.893V，而reset电压的平均值为3.355V。
如图4所示，30次循环测试表明，0.1％拉应变下set电压的平均值为2.489V，而reset电压的平均值为3.969V。
实施例3：
1.ZnO薄膜的射频磁控溅射
分别在丙酮、乙醇及以去离子水中超生清洗ITO/PET衬底，然后氮气吹干。在溅射过程中，***压强保持在0.3Pa，Ar流量为20sccm，溅射功率为55W，沉积时间90分钟，薄膜厚度范围为150nm。
2.金属上电极的电子束蒸发
在制备所得的ZnO薄膜上，放置一片冲有圆孔的不锈钢掩模板以遮挡下电极和部分ZnO薄膜，再将样品及掩模板送入电子束蒸发镀膜仪中。当腔体的本底真空抽至6×10-5Pa时，打开蒸发挡板向ZnO薄膜上沉积厚度为100nm的金属Au电极。
3.电学性能测试
通过控制作用在悬臂梁上力的大小，给器件施加0.1％的拉/压应变，用I-V曲线测试仪分别测试器件在无应变及拉/压应变情况下的set、reset电压的变化。在无应变时，30次循环测试表明，set电压的平均值为2.415V，而reset电压的平均值为3.923V。30次循环测试表明，0.1％压应变下set电压的平均值为2.093V，而reset电压的平均值为3.524V。30次循环测试表明，0.1％拉应变下set电压的平均值为2.798V，而reset电压的平均值为4.239V。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性阻变存储器，其特征在于从上至下依次包括TE层、ZnO层、ITO/PET层，其中TE层选用功函数大于ZnO功函数的金属。
2.如权利要求1所述的一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性阻变存储器的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤(1)、ITO/PET柔性衬底作为下电极，通过溅射法制备ZnO薄膜：
以ITO/PET作为衬底，通过溅射法在衬底表面形成ZnO层薄膜，得到ZnO/ITO/PET；
步骤(2)、金属上电极(TE)的制备：
将制备得到的ZnO/ITO/PET基体放于沉积室内，用掩模法通过电子束蒸发TE，使得ZnO薄膜上沉积TE层电极，最终得到柔性TE/ZnO/ITO/PET器件；其中TE为功函数大于ZnO功函数的金属。
3.如权利要求1所述的一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性阻变存储器或如权利要求2所述的一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性阻变存储器的制备方法，其特征在于ZnO层的厚度范围为50～150nm。
4.如权利要求1所述的一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性阻变存储器或如权利要求2所述的一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性阻变存储器的制备方法，其特征在于TE层的厚度范围为100～120nm。
5.如权利要求1所述的一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性阻变存储器或如权利要求2所述的一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性阻变存储器的制备方法，其特征在于TE层为若干个直径100μm的圆形金属上电极。
6.如权利要求1所述的一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性阻变存储器或如权利要求2所述的一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性阻变存储器的制备方法，其特征在于ITO/PET为ITO导电膜,面电阻小于35±5Ω。
7.如权利要求2所述的一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性阻变存储器的制备方法，其特征在于步骤(1)溅射条件如下：压强保持在0.1～0.3Pa，Ar流量为10～30sccm，溅射功率为55W，沉积时间控制在30～90分钟。
8.如权利要求2所述的一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性阻变存储器的制备方法，其特征在于步骤(2)具体是在制备所得的ZnO薄膜上，放置一片冲有圆孔的不锈钢掩模板以遮挡下电极和部分ZnO薄膜，再将ZnO/ITO/PET基体及掩模板送入电子束蒸发镀膜仪中；当腔体的本底真空抽至6×10-5Pa时，打开蒸发挡板向ZnO薄膜上沉积金属上电极。
9.如权利要求1所述的一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性阻变存储器或如权利要求2所述的一种基于ZnO压电效应的低功耗柔性阻变存储器的制备方法，其特征在于TE层选用功函数大于ZnO功函数的金属Pt、Cu或Au。
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Assignee: Hangzhou Julu enterprise management consulting partnership (L.P.)

Assignor: Wuhu Qibo Intellectual Property Operation Co.,Ltd.

Contract record no.: X2021330000726

Denomination of invention: A low power consumption flexible resistive memory based on ZnO Piezoelectric Effect and its preparation method

Granted publication date: 20180504

License type: Common License

Record date: 20211109

EC01 Cancellation of recordation of patent licensing contract
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Assignee: Hangzhou Qihu Information Technology Co.,Ltd.

Assignor: Wuhu Qibo Intellectual Property Operation Co.,Ltd.

Contract record no.: X2021330000547

Date of cancellation: 20221103

Assignee: Hangzhou Julu enterprise management consulting partnership (L.P.)

Assignor: Wuhu Qibo Intellectual Property Operation Co.,Ltd.

Contract record no.: X2021330000726

Date of cancellation: 20221103

EC01 Cancellation of recordation of patent licensing contract
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Assignee: Hangzhou Elice Chemical Co.,Ltd.

Assignor: Wuhu Qibo Intellectual Property Operation Co.,Ltd.

Contract record no.: X2021330000464

Date of cancellation: 20240429