一种极低温常关的电阻开关及制备方法

1.本发明涉及电阻开关技术领域，特别是涉及一种极低温常关的电阻开关及制备方法。


背景技术：

2.随着量子计算机技术突飞猛进的发展，与之对应的是小型化、集成化的需求。基于电阻开关效应的阻变式存储器(rram)与传统闪存存储器相比，具有结构简单、更低功耗、更小尺寸、更高速度、更大容量、非易失性、与cmos工艺高度兼容等特点。然而，阻变存储器的工作温度大多在室温附近，难以与液氦温度以下工作的量子计算机集成，从而实现小型化，故亟需开发一种能够在极低温环境下工作的电阻开关。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供了一种极低温常关的电阻开关及制备方法。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种极低温常关的电阻开关，包括：
6.srtio3衬底、lafeo3薄膜和laalo3薄膜，其中，所述srtio3衬底的抛光面生长有所述lafeo3薄膜，所述lafeo3薄膜上生长有所述laalo3薄膜，所述srtio3衬底的粗糙面镀有黏附层和背电极。
7.优选地，所述srtio3衬底采用单面抛光的单晶srtio3衬底，所述单晶srtio3衬底厚度≤1mm，所述单晶srtio3衬底为001取向的单晶srtio3衬底。
8.优选地，所述srtio3衬底的抛光面上生长的lafeo3薄膜为c轴择优取向的lafeo3薄膜，所述lafeo3薄膜厚度为2-15个单胞层；在lafeo3薄膜上生长的laalo3薄膜为c轴择优取向的laalo3薄膜，所述laalo3薄膜厚度为2-5个单胞层。
9.优选地，所述黏附层采用ni、ti或al，所述背电极采用pt或au。
10.为了实现上述目的，本发明还提供了一种制备极低温常关的电阻开关的方法，包括：
11.对srtio3衬底进行预处理，并对处理后的srtio3衬底进行脉冲激光沉积，外延生长氧化物薄膜；
12.对生长了所述氧化薄膜的srtio3衬底进行磁控溅射，在粗糙面溅射金属形成黏附层，并在所述黏附层溅射金属作为背电极，得到电阻开关；
13.将所述电阻开关置于极低温环境，施加背栅极电场后撤去，得到常关的电阻开关。
14.优选地，对srtio3衬底进行预处理包括：
15.对所述srtio3衬底进行清洗、刻蚀和退火处理，得到抛光面具有ti-o层截止高质量台阶。
16.优选地，对所述srtio3衬底进行清洗包括：将所述srtio3衬底置于丙酮中进行超声
清洗，去除所述衬底表面的有机杂质，然后在无水乙醇中进行超声清洗，去除表面的丙酮和其他杂质；其中所述清洗时间不小于5min。
17.优选地，生成所述氧化薄膜包括：
18.将退火后的所述srtio3衬底放入脉冲激光沉积腔内，先对腔体进行抽真空处理，其气压小于10-7
mbar；再向腔体内充入氧气至10-5-10-3
mbar；将所述srtio3衬底升温至650-750℃，在衬底上外延生长2-15个单胞层的lafeo3薄膜，再外延生长2-5个单胞层的laalo3薄膜，并通过反射高能电子衍射仪监控薄膜生长层数；其中，溅射在lafeo3陶瓷靶材和laalo3靶材的脉冲激光波长为248nm，能量密度为0.2-3j/cm2，频率为1-10hz。
19.优选地，得到所述常关的电阻开关包括：
20.在所述srtio3衬底粗糙面的溅射厚度不小于5nm的ni、ti或al作为黏附层，再溅射厚度不小于5nm的pt或au作为背电极，得到电阻开关元器件。
21.优选地，将电阻开关器件置于温度不大于20k的环境中，施加不小于2000v/cm的背栅极电场后撤去所述背栅极电场，得到常关的电阻开关元器件，其中，所述背栅极电场的持续时间不小于500ms。
22.本发明的有益效果为：
23.(1)本发明极低温常关的电阻开关通过脉冲激光沉积和磁控溅射构筑的背电极/srtio3/lafeo3/laalo3异质结，其结构简单，成本低廉，氧化物晶格失配小，可行性高，能够实现大规模制备，易实现产业化，具有很强的实用价值；
24.(2)所述电阻开关材料具有良好的稳定性，工作温度窗口覆盖量子计算机工作范围，电阻变化明显，电阻开关比超过五个数量级；
25.(3)lafeo3和laalo3薄膜利用脉冲激光沉积方法进行制备，其厚度可以通过反射高能电子衍射仪(rheed)监测，以实现不同电阻开关比的开关器件。
附图说明
26.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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明实施例的极低温常关的电阻开关的结构示意图；
28.图2为本发明实施例的极低温常关的电阻开关在2k时，背栅极电场调控的电阻随时间变化曲线图；
29.图3为本发明实施例的极低温常关的电阻开关在2k时，漏电流随背栅极电场强度的变化曲线图；
30.图4为本发明实施例的极低温常关的电阻开关在2k时，不同背栅极电压下的输出曲线图。
具体实施方式
31.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，都属于本发明保护的范围。
32.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
33.如图1所示，本发明提供了一种极低温常关的电阻开关，包括单面抛光取向的单晶srtio3衬底及外延生长在其抛光面的c轴择优取向的lafeo3薄膜和c轴择优取向的laalo3薄膜，以及溅射在其粗糙面的ti、ni、al等金属作为的黏附层和pt、au等金属作为的背电极，通过在背电极上施加背栅极电压调控可实现电阻开关效应。
34.根据对本发明中所制备的电阻开关样品特性分析，下面将极低温常关的电阻开关的制备方法的最佳实施案例进行详细地说明：
35.实施例1：
36.(1)srtio3衬底清洗：将srtio3衬底置于丙酮中超声清洗10min，去除表面的有机杂质，然后在无水乙醇中超声清洗10min，去除表面的丙酮和其他杂质；
37.(2)srtio3衬底刻蚀退火：将清洗过的srtio3衬底在去离子水中超声反应30min，然后在boe溶液中刻蚀30s，再放入去离子水中清洗并用氮气吹干表面吸附的水，将刻蚀后的衬底在950℃退火90min，得到具有高质量台阶表面的ti-o层截止的srtio3衬底；
38.(3)氧化物薄膜外延生长：将退火后的srtio3衬底放入脉冲激光沉积腔内，先对腔体抽真空至10-8
mbar；再向腔体内充入氧气至10-4
mbar；将srtio3衬底升温至700℃，在衬底上外延生长5个单胞层的lafeo3薄膜，再外延生长5个单胞层的laalo3薄膜，并通过反射高能电子衍射仪(rheed)监控薄膜生长层数；其中溅射在钙钛矿相的多晶lafeo3陶瓷靶(99.99％)和单晶laalo3靶(99.99％)的脉冲激光波长为248nm，能量密度为1j/cm2，频率为2hz；
39.(4)将生长了薄膜的样品放入磁控溅射腔内，在srtio3衬底粗糙面溅射厚度20nm的ti作为黏附层，再溅射厚度20nm的pt作为背电极，得到电阻开关元器件；
40.(5)将电阻开关器件置于温度2k的极低温环境中，施加4200v/cm的背栅极电场持续2s后撤去，得到常关的电阻开关元器件。
41.对制备好的常关电阻开关元器件进行电阻-时间特性的测试，研究其电阻开关特性。
42.将源表四探针连接样品上表面四个边角，使用范德堡法测量其电阻-时间特性，同时施加背栅极电场的正极连接pt背电极，负极链接样品上表面，背栅极电场的变化过程为0
→
4200v/cm
→0→
4200v/cm
→0→
4200v/cm
→
0，每隔3s测量一个数据点，如图2所示，可以看出4200v/cm的背栅极电场可以使样品的电阻发生超过五个量级的变化，且这种变化是非易失的，说明样品在极低温下具有很好的非易失性开关特性。
43.进一步的，对背栅极电场进行漏电流测试，背栅极电场的变化过程为-4200v/cm
→0→
4200v/cm
→0→‑
4200v/cm，如图3所示，可以看出漏电流≤60na，表面样品电容特性良好，未被击穿。
44.实施例2：
45.(1)srtio3衬底清洗：将srtio3衬底置于丙酮中超声清洗10min，去除表面的有机杂质，然后在无水乙醇中超声清洗10min，去除表面的丙酮和其他杂质；
46.(2)srtio3衬底刻蚀退火:将清洗过的srtio3衬底在去离子水中超声反应30min，然后在boe溶液中刻蚀30s，再放入去离子水中清洗并用氮气吹干表面吸附的水，将刻蚀后的衬底在950℃退火90min，得到具有高质量台阶表面的ti-o层截止的srtio3衬底；
47.(3)氧化物薄膜外延生长：将退火后的srtio3衬底放入脉冲激光沉积腔内，先对腔体抽真空至10-8
mbar；再向腔体内充入氧气至5*10-5
mbar；将srtio3衬底升温至700℃，在衬底上外延生长2个单胞层的lafeo3薄膜，再外延生长5个单胞层的laalo3薄膜，并通过反射高能电子衍射仪(rheed)监控薄膜生长层数；其中溅射在钙钛矿相的多晶lafeo3陶瓷靶(99.99％)和单晶laalo3靶(99.99％)的脉冲激光波长为248nm，能量密度为1.5j/cm2，频率为2hz；
48.(4)将生长了薄膜的样品放入磁控溅射腔内，在srtio3衬底粗糙面溅射厚度20nm的ti作为黏附层，再溅射厚度20nm的pt作为背电极，得到电阻开关元器件；
49.(5)将电阻开关器件置于温度10k的极低温环境中，施加3000v/cm的背栅极电场持续10s后撤去，得到常关的电阻开关元器件。
50.实施例3：
51.(1)srtio3衬底清洗：将srtio3衬底置于丙酮中超声清洗10min，去除表面的有机杂质，然后在无水乙醇中超声清洗10min，去除表面的丙酮和其他杂质；
52.(2)srtio3衬底刻蚀退火：将清洗过的srtio3衬底在去离子水中超声反应30min，然后在boe溶液中刻蚀30s，再放入去离子水中清洗并用氮气吹干表面吸附的水，将刻蚀后的衬底在950℃退火90min，得到具有高质量台阶表面的ti-o层截止的srtio3衬底；
53.(3)氧化物薄膜外延生长：将退火后的srtio3衬底放入脉冲激光沉积腔内，先对腔体抽真空至10-8
mbar；再向腔体内充入氧气至10-5
mbar；将srtio3衬底升温至675℃，在衬底上外延生长10个单胞层的lafeo3薄膜，再外延生长2个单胞层的laalo3薄膜，并通过反射高能电子衍射仪(rheed)监控薄膜生长层数；其中溅射在钙钛矿相的多晶lafeo3陶瓷靶(99.99％)和单晶laalo3靶(99.99％)的脉冲激光波长为248nm，能量密度为1j/cm2，频率为3hz；
54.(4)将生长了薄膜的样品放入磁控溅射腔内，在srtio3衬底粗糙面溅射厚度20nm的ti作为黏附层，再溅射厚度50nm的au作为背电极，得到电阻开关元器件；
55.(5)将电阻开关器件置于温度2k的极低温环境中，施加4200v/cm的背栅极电场持续5s后撤去，得到常关的电阻开关元器件。
56.如图4为在2k时，不同背栅极电压下的输出曲线图。
57.本发明另一方面提供一种控制常关的电阻开关元器件开路和断路的方法，其采用前述任一项所述的极低温常关的电阻开关，通过施加背栅极电场，注入载流子，使得常关的电阻开关元器件变成开路；撤去背栅极电场后，常关的电阻开关元器件恢复为断路；其中：控制常关的电阻开关元器件开路和断路时，其工作温度维持在≤20k，施加的背栅极电场≥2000v/cm。
58.以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。