本發(fā)明專利技術(shù)涉及集記憶電阻與隧穿磁電阻于一體的多功能自旋記憶電阻器件及制備方法。該多功能自旋記憶電阻器件采用Co/CoO-ZnO/Co磁性隧道結(jié)，在外加電壓下具有雙極阻變效應(yīng)，在外加磁場下具有隧穿磁電阻效應(yīng)；磁性隧道結(jié)上、下均濺射Ag電極，下電極Ag接地，當上電極Ag加一定的正電壓時，磁性隧道結(jié)由高阻態(tài)轉(zhuǎn)換為低阻態(tài)，當上電極Ag加一定的負電壓時，磁性隧道結(jié)由低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)。本發(fā)明專利技術(shù)還提供多功能自旋記憶電阻器件的制備方法。本發(fā)明專利技術(shù)結(jié)合隧穿磁電阻和電致電阻效應(yīng)，通過電場和磁場的作用成功實現(xiàn)了Co/CoO-ZnO/Co中多重電阻狀態(tài)的調(diào)控。該器件可用于多態(tài)存儲器和模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及集記憶電阻與隧穿磁電阻于一體的多功能自旋記憶電阻器件及其制備方法，屬于半導(dǎo)體材料與器件領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
阻變存儲器作為一種新型的非揮發(fā)性存儲器，是以薄膜材料的電阻在高阻態(tài)(HRS)和低阻態(tài)(LRS)之間實現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)換為基本原理并作為記憶的方式。阻變存儲器(RRAM)因為其具有制備簡單、存儲密度高、操作電壓低、讀寫速度快、保持時間長、尺寸小、非破壞性讀取、低功耗等優(yōu)點被廣泛研究，從而有成為下一代通用存儲器的潛力。隧穿磁電阻效應(yīng)以飽和磁場低、磁阻效應(yīng)大等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注。在鐵磁層/絕緣層/鐵磁層(FM/I/FM)這種結(jié)構(gòu)中存在巨磁電阻，這種三明治結(jié)構(gòu)產(chǎn)生遂穿效應(yīng)的原理 是自旋極化電子遂穿非磁性層的勢壘而產(chǎn)生遂穿電流。由于磁隧道結(jié)中兩鐵磁層間不存在或基本不存在層間稱合，因而只需要一個很小的外磁場將其中的一個鐵磁層的磁化方向反向即可實現(xiàn)隧穿電阻的巨大變化，故隧道結(jié)較之金屬多層膜具有高得多的磁場靈敏度，因而無論是作為計算機的讀出磁頭、磁傳感器，還是作為磁電阻型的隨機存儲器，都具有無與倫比的優(yōu)點，其應(yīng)用前景十分看好，世界各發(fā)達國家都給予了高度重視。
技術(shù)實現(xiàn)思路
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專利技術(shù)提供一種集記憶電阻與隧穿磁電阻于一體的多功能自旋記憶電阻器件及其制備方法。術(shù)語說明磁電阻即材料對磁場的響應(yīng)導(dǎo)致電阻的變化，可以表示為MR= /R(0) X 100%LRS :低電阻狀態(tài)，此時樣品電阻較小。HRS :高電阻狀態(tài)，此時樣品電阻較大。雙極阻變現(xiàn)象樣品的電阻轉(zhuǎn)變依賴于所加電信號的極性，例如加正向電壓時樣品由HRS變?yōu)長RS，加反向電壓時由LRS變?yōu)镠RS。Vset:樣品由HRS變?yōu)長RS時所需的外加電壓。Vreset:樣品由LRS變?yōu)镠RS時所需的外加電壓。HRS-Rapo :高阻態(tài)下磁化反平形態(tài)，此時樣品處于高阻態(tài)，同時上下鈷層因為矯頑力不同，處于反平行態(tài)，隧穿磁電阻處于峰值。HRS-Rp :高阻態(tài)下磁化平形態(tài)，此時樣品處于高阻態(tài)，同時磁場達到一定強度后，上下鈷層被磁化到磁化方向平形，隧穿磁電阻處于低值。TMR= (Rap-Rp)/RP，Rap為上下兩個磁性電極磁化方向相互放平行時的結(jié)電阻；RP為上下兩個磁性電極磁化方向反平行時的結(jié)電阻。本專利技術(shù)的技術(shù)方案如下集記憶電阻與隧穿磁電阻于一體的多功能自旋記憶電阻器件，包括采用Co/CoO-ZnO/Co磁性隧道結(jié)，在外加電壓(土 IV)下，具有雙極阻變效應(yīng)，在外加磁場(±5000e)下，具有隧穿磁電阻效應(yīng)；所述的Co/CoO-ZnO/Co磁性隧道結(jié)上、下均濺射Ag電極，下電極Ag接地，當上電極Ag加一定(+IV)的正電壓時，Co/CoO-ZnO/Co磁性隧道結(jié)由高阻態(tài)轉(zhuǎn)換為低阻態(tài)，此時的電壓稱為Vset，Vset=+lV;當上電極Ag加一定(-0. 5V)的負電壓時，Co/Co0-Zn0/Co磁性隧道結(jié)由低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)，此時的電壓稱為Vreset，Vreset=-O. 5V。當Co/CoO-ZnO/Co磁性隧道結(jié)處于高阻態(tài)時，結(jié)電阻隨溫度的降低而增大，表現(xiàn)為半導(dǎo)體導(dǎo)電的性質(zhì)；當Co/CoO-ZnO/Co磁性隧道結(jié)處于低阻態(tài)時，結(jié)的電阻隨溫度的降低而降低，表現(xiàn)為金屬導(dǎo)電特性。在室溫下，所述的高電阻為低電阻的88 90倍。集記憶電阻與隧穿磁電阻于一體的多功能自旋記憶電阻器件的制備方法，包括步 驟如下(I)在玻璃襯底上覆蓋第一層不銹鋼掩膜，用磁控濺射方法分別沉積Cr層、Ag層、Co層，其中Cr為緩沖層，Ag為器件的下電極，Co作為磁性隧道結(jié)的磁性層。濺射氣氛為Ar氣。(2)將生長的薄膜取出，換上第二層不銹鋼掩膜，利用磁控濺射的方法在Co層上派射ZnO絕緣層，生長氣氛為Ar氣與O2氣的混合氣,其中氧氣體積占3%0。過程中在Co和ZnO的界面處自然形成CoCVx(O ( x<D氧化層，由此得到Co/Co0-Zn0/Co磁性隧道結(jié)。(3)將生長的薄膜取出，換上第三層不銹鋼掩膜，在上述ZnO層上用磁控濺射方法沉積第二個Co層、Ag層，濺射氣氛為Ar氣。其中Co層作為磁性隧道結(jié)的第二個磁性層，Ag層為器件的上電極。根據(jù)本專利技術(shù)，上述Co/CoO-ZnO/Co磁性隧道結(jié)的上、下電極為Co層，厚度分別為30nm、IOnm0根據(jù)本專利技術(shù)，中間絕緣層材料為存在大量氧空位的CoO和ZnO，ZnO的濺射厚度為2nm。CoO層是Co和ZnO的界面處自然形成的CoCVx (O彡x<D氧化層。本專利技術(shù)優(yōu)選的襯底材料為康寧D263eCO T襯底。根據(jù)本專利技術(shù)的制備方法，優(yōu)選的工藝條件如下濺射室真空為6 X l(T8Torr，以純度為99. 95%以上的ZnO陶瓷和99. 99%以上的Co金屬和Ag金屬為靶材，將ZnO置于射頻靶，Co和Ag置于直流靶。以純度為99. 99%以上的高純Ar氣體作為濺射氣體，Ar氣經(jīng)過氣體流量計進入濺射室。Co的濺射功率為5W，濺射氣壓為5 X IO-3Torr。ZnO的濺射功率和濺射氣壓分別為15W和6 X KT3Torr，生長氣氛為Ar氣與O2氣的混合氣,其中氧氣體積占3%0。精確控制中間ZnO層的厚度以及濺射氣氛中的氧分壓對于期間的性質(zhì)十分重要。本專利技術(shù)人經(jīng)過長期的實驗研究，發(fā)現(xiàn)ZnO層和Co金屬層之間形成的CoCVx層對磁性隧道結(jié)的電致電阻效應(yīng)起著決定性的作用，并通過精確控制異質(zhì)結(jié)制備過程中的濺射功率、濺射時間以及濺射過程中的氧分壓成功制備出Co/CoO-ZnO/Co磁性隧道結(jié)。氧空位的移動引起的CoOh金屬-絕緣體的相變導(dǎo)致了 Co/CoO-ZnO/Co磁性隧道結(jié)中的電致阻變以及隧穿磁電阻。因此在Co/CoO-ZnO/Co磁性隧道結(jié)中發(fā)現(xiàn)了集電致電阻效應(yīng)和隧穿磁電阻特性于一體的兩種重要的性質(zhì)，該器件有望用于多態(tài)存儲器和模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。CoO-ZnO復(fù)合層可以通過外加電場調(diào)節(jié)氧離子在CoO和ZnO之間的移動，從而調(diào)節(jié)隧道結(jié)中電阻特性和磁電阻特性。ZnO就像氧離子庫，在電場的作用下，釋放氧離子到CoO層，或從CoO層吸收氧離子。當加負電壓時(電流從ZnO到CoO定義為正)，η型半導(dǎo)體ZnCVv(O彡ν〈1為氧空位)釋放氧離子，同時含有氧空位的CoOh (O彡x〈l為氧空位)可以吸收氧離子轉(zhuǎn)變?yōu)镃oO。CoO是良好的反鐵磁絕緣體,因此氧離子從ZnCVv到CoCVx的移動可使該隧道結(jié)處于高阻態(tài)。同理，加反向電壓可使該隧道結(jié)處于低阻態(tài)。在室溫下，高電阻約為低電阻的九十倍。同時，在高阻態(tài)室溫條件下存在高達百分之八的磁穿磁電阻(很薄的CoO反鐵磁絕緣層保證了隧穿磁電阻的出現(xiàn))。在低阻態(tài)下沒有磁電阻。由于高阻態(tài)下的電阻態(tài)可以分為上下兩個鈷層磁化反平行態(tài)和磁化平形態(tài)兩個狀態(tài)，因此，結(jié)合隧穿磁電阻和電致電阻效應(yīng)，通過電場和磁場的作用成功實現(xiàn)了 Co/CoO-ZnO/Co中多重電阻狀態(tài)的調(diào)控。電阻可以處在三個狀態(tài)即LRS、HRS-Rap, HRS-RP。該器件有望用于多態(tài)存儲器和模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。本專利技術(shù)多功能自旋記憶電阻器件集記憶電阻與隧穿磁電阻于一體，制作簡單，功·耗低，可廣泛應(yīng)用于多態(tài)存儲器和模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。附圖說明圖I是實施例I的電阻器件器件的結(jié)構(gòu)示意圖，I為玻璃襯底，具體結(jié)構(gòu)為玻璃襯底 /Cr2nm/Ag30nm/Col0nm/Co0-Zn02nm/Co30nm/Ag60n本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
集記憶電阻與隧穿磁電阻于一體的多功能自旋記憶電阻器件，其特征在于包括采用Co/CoO?ZnO/Co磁性隧道結(jié)，在外加電壓（±1V）下，具有雙極阻變效應(yīng)，在外加磁場（±500Oe）下，具有隧穿磁電阻效應(yīng)；所述的Co/CoO?ZnO/Co磁性隧道結(jié)上、下均濺射Ag電極，下電極Ag接地，當上電極Ag加一定（+1V）的正電壓時，Co/CoO?ZnO/Co磁性隧道結(jié)由高阻態(tài)轉(zhuǎn)換為低阻態(tài)，此時的電壓稱為Vset，Vset=+1V；當上電極Ag加一定（?0.5V）的負電壓時，Co/CoO?ZnO/Co磁性隧道結(jié)由低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)，此時的電壓稱為Vreset，Vreset=?0.5V。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：顏世申，李強，沈婷婷，代正坤，臧云飛，劉國磊，陳延學，梅良模，
申請(專利權(quán))人：山東大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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