一种量子电导特性可控的纳米点接触

摘要

本发明提供了一种量子电导特性可控的纳米点接触，由底电极/金属氧化物/顶电极构成三明治结构，其中底电极是具有储氧功能的导电材料，顶电极是惰性导电材料；工作状态时，电极间施加正向电压，金属氧化物中的氧离子发生迁移并储存在底电极中，形成氧空位导电丝；然后，施加反向电压，储存在底电极中的氧离子返回氧空位导电丝，使氧空位导电丝尺寸变小形成纳米点接触；通过控制反向电压的大小能够控制纳米点接触的量子电导值的大小，尤其是通过逐渐增大反向电压能够构建电导值以0.5G

说明书

技术领域

本发明涉及纳米技术与信息存储技术领域，尤其是一种量子电导特性可控的纳米点接触。

背景技术

存储器是信息记录的载体，在国民生产生活中发挥重要的作用。随着大数据时代的到来，全球信息量爆炸式增长，存储器的重要性更加突出。有研究报道可以通过缩减器件尺寸来增加芯片的集成密度和存储容量，但是这并不是一个一劳永逸的办法，摩尔定律在近年来开始遭遇越来越严重的挑战，如：发热、功耗以及工艺难度等一系列问题，以及冯诺依曼瓶颈问题。

阻变存储器是一种新兴的信息技术，具有结构简单、微缩性好、操作速度快、功耗低、与CMOS工艺兼容等诸多优点，在国际半导体技术路线图中被明确列为最值得优先发展的新型存储技术之一。尤为重要的是，阻变存储器的存储单元为简单的“阳极/存储介质/阴极”三层膜结构，存储介质具有电阻转变性质，在阳极与阴极之间调控施加电压可以使存储单元的电阻在高低阻值切换。目前研究表明，大多数阻变存储器在电压作用下材料内部通过离子迁移和电化学过程形成连通阳极和阴极的纳米导电通道，本文中将该纳米导电通道称为“纳米导电丝”。该纳米导电丝可以简化看作准一维电子体系，其电导特性与丝的尺寸尤其是最小直径密切相关。在导电丝连通或断开的临界状态所形成的纳米点接触结构的特征尺寸与介质中的电子自由程相当，电子沿导电丝的弹道传输行为不受散射作用，进而呈现一系列以G₀为单位的量子化电导特性。原子层面上的量子调控能够带来更加丰富的电学性质，不仅可以在不改变尺寸的前提下有效地提高器件存储密度，还有助于开发多功能、低功耗的新原理信息器件，从而解决摩尔定律极限和冯诺依曼瓶颈所带来的种种难题。

但是，当前的纳米点接触因导电可控性、抗疲劳性，以及高温保持性差，很难进行实际应用。因此，构建具有高度可控量子电导特性的纳米点接触，获得可控性、抗疲劳性，以及高温保持性优异的量子电导非常有意义。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种量子电导特性可控的纳米点接触，其结构简单并且易于控制。

为了实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案为：一种量子电导特性可控的纳米点接触，由底电极/金属氧化物/顶电极构成三明治结构，其特征是：如图1所示，

底电极由具有储氧功能的导电材料构成；

顶电极由惰性导电材料构成；

金属氧化物位于底电极与顶电极之间，具有电阻转变性质；

工作状态时，如图2所示，底电极与顶电极之间施加正向电压，金属氧化物中的氧离子发生迁移并储存在底电极中，形成氧空位导电丝；然后，底电极与顶电极之间施加反向电压，储存在底电极中的氧离子返回氧空位导电丝，使氧空位导电丝尺寸变小形成纳米点接触；

通过控制反向电压的大小而控制纳米点接触的量子电导值的大小。

所述的底电极由具有储氧功能的导电材料构成，包括但不限于ITO、AZO、FTO、掺铌钛酸锶等材料中的一种或者几种。

所述的顶电极由惰性导电材料构成，所述惰性是指导电材料形成能较高，在电压作用下难以形成离子，所述的顶电极材料包括但不限于Pt、Au、W等中的一种或者几种。

作为优选，所述的底电极为薄膜状态，电极的厚度保证其导电即可。

作为优选，所述的顶电极为薄膜状态，电极的厚度保证其导电即可。

所述的金属氧化物不限，包括HfO₂、Ta₂O₅、W₂O₃、ZrO₂、ZnO、TiO₂、SiO₂、Al₂O₃、NiO等中的一种。作为优选，所述的金属氧化物存在缺氧的纳米区域，当底电极与顶电极之间施加正向电压时，缺氧的纳米区域电场被增强，诱导导电丝沿着缺氧区域择优生长，在缺氧区域形成相对较粗的氧空位纳米导电丝，从而避免了导电丝随机形成。

作为优选，所述的金属氧化物为薄膜状态，厚度保证其不漏电即可。

所述的三明治结构器件的制备方法不限，可以通过物理沉积法等制备。

作为一种实现方式，底电极与顶电极之间施加正向电压与反向电压的具体电处理过程如下：

(1)施加正向电压

将所述的三明治结构器件的顶电极接地，底电极施加正电压，限制电流值为预设电流值，并且0<预设电流值<器件的最大耐受电流值，逐渐增大电压，当电压值大于或者等于某一电压值时，电流值发生突变，由该预设电流值突变为较高电流值；

此过程使金属氧化物中局域氧离子大量迁移到具有储氧功能的底电极中。

(2)施加反向电压

在底电极施加负电压，在器件的最大耐受电流值范围之内不限制电流，逐渐增大负电压，所述负电压可以是扫描负电压或脉冲负电压；

此过程称为负反馈过程，利用这种负反馈过程逐渐使之前储存在底电极中的氧离子返回氧空位导电丝，使较粗(横截面尺寸较大)的氧空位导电丝逐渐变细(横截面尺寸逐渐变小)，可控形成不同尺寸的纳米点接触结构。

与现有技术相比，本发明在底电极/金属氧化物/顶电极构成的三明治结构器件中，选用具有储氧功能的导电材料作为底电极，产生的有益效果是：

(1)在正向电压作用下，三明治结构器件的金属氧化物中具有高迁移率的氧离子向底电极迁移，由于底电极具有储氧功能，与采用非储氧功能的底电极时氧离子随机分散在金属氧化物与底电极界面相比，这些氧离子被储存在底电极中；

(2)然后，在负反馈过程中，由于迁移过来的氧离子储存在底电极中，在反向电压作用下，这些氧离子“源源不断”地返回氧空位纳米导电丝中，从而使该导电丝尺寸逐渐减小而形成纳米点接触，通过控制反向电压能够控制纳米点接触的量子电导值，从而实现了量子电导特性可控的纳米点接触；尤其是通过逐渐增加反向电压，能够构建电导值以0.5G₀为间隔连续减小的纳米点接触结构，例如，如果初始电导值为17G₀，则当反向电压逐渐稳步增加时，电导值等间隔减小，依次为16.5G₀、16G₀、15.5G₀、15G₀、14.5G₀、14G₀、13.5G₀……

与之相比，当采用非储氧功能的底电极时，由于迁移过来的氧离子随机分散在金属氧化物与底电极界面，在反向电压作用下，这些氧离子返回氧空位纳米导电丝中使导电丝尺寸减小呈随机性，即使逐渐稳步地增加反向电压，电导值仍然呈现随机跳变地减小，并不能得到等间隔连续减小的电导值。

(3)实验证实，本发明构建的纳米点接触还具有量子电导态的抗疲劳特性优异，以及高温保持性优异的特点，因此性能稳定。

(4)与在器件中插入缓冲层，阻止活性金属离子一次性大量注入导致纳米点接触结构不可控，以及在测量电路中串联电阻，分压减小器件上承受的电压相比，本发明简单高效地构建了高度可控纳米点接触；

(5)利用本发明构建的纳米点接触的量子电导特性高度可控，其对应的量子电导值能够以0.5G₀为间隔被连续稳步地控制，从而获得多个量子电导态，且量子电导态具有优异的抗疲劳特性和高温保持性，因此能够应用于多值存储，大大提高存储器的存储密度和容量，且能够将其应用于多值逻辑，即在单个器件上实现多值存储与逻辑的功能，有望解决摩尔定律极限和冯诺依曼瓶颈所带来的种种难题。

附图说明

图1是本发明的三明治结构器件的结构示意图；

图2是本发明采用电处理过程中三明治结构器件的状态变化示意图；

图3是本发明实施例1和2中，在三明治结构器件的底电极上施加正电压，器件的电流随电压的变化曲线，以及电导随电压的变化曲线；

图4是本发明实施例1中在形成氧空位纳米导电丝后，通过负反馈过程逐渐增加负扫描电压(扫描步长为0.005V)，减小氧空位纳米导电丝尺寸构建量子电导特性可控的纳米点接触结构；

图5是本发明实施例1中构建的纳米点接触结构的电导值以0.5G₀为间隔从16G₀连续调控到0.5G₀共32个量子电导态(读电压为0.02V)；

图6中的a图是本发明实施例1中构建的纳米点接触结构的量子电导态的抗疲劳测试结果；

图6中的b图是本发明实施例1中构建的纳米点接触结构获得的量子电导态在300K下的保持性测试结果；

图6中的c图是本发明实施例1中构建的纳米点接触结构获得的量子电导态在400K下的保持性测试结果；

图7是本发明实施例2中构建的纳米点接触结构的电导值以0.5G₀为间隔从16G₀连续调控到0.5G₀共32个量子电导态(读电压为0.02V)；

图8是对比实施例1中，在三明治结构器件的底电极上施加正电压，器件的电流随电压的变化曲线，以及电导随电压的变化曲线；

图9是对比实施例1中在形成氧空位纳米导电丝后，通过负反馈过程逐渐增加负扫描电压(扫描步长为0.005V)，氧空位纳米导电丝迅速被减小；

图10是对比实施例1中的纳米点接触结构的电导值随机跳变地减小获得10个非连续的随机量子电导态(读电压为0.02V)。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施例中，三明治结构器件如图1所示，包括底电极，金属氧化物以及顶电极，金属氧化物位于底电极与顶电极之间。

本实施例中，底电极采用具有储氧功能的ITO；金属氧化物采用薄膜内均匀分布纳米尺寸氧空位区域的二氧化铪，厚度优选5nm-15nm；顶电极采用惰性Pt薄膜，其厚度为50nm。

本实施例中，采用镀膜的方法制备该三明治结构器件，包括如下步骤：

(1)将表面镀ITO的玻璃片为基片，将该基片分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10分钟，循环3次，取出后用氮气吹干；

(2)将步骤(1)清洗干净的基片放入磁控溅射真空腔体中，在氩氧比为4:1，气压为1Pa的气氛中，以二氧化铪为靶材，用溅射的方法在ITO表面沉积一层厚度约为5nm-15nm的二氧化铪薄膜，溅射功率为60W；

(3)在二氧化铪薄膜的表面利用电子束蒸发沉积一层直径为100um的Pt顶电极。

利用Keithley 4200半导体参数测量仪对该三明治结构器件进行如下电处理和表征：

(1)正向电压作用

将三明治结构器件的顶电极Pt接地，底电极ITO施加正电压，限流为2mA，如图3所示，逐渐增大电压，当电压增大到3.14V时，器件电流突然增大，此过程使二氧化铪中的氧离子沿着缺氧区域迁移注入到ITO底电极中，并在缺氧区域形成氧空位纳米导电丝，其对应的电导值为17G₀。

(2)反向电压作用

然后，如图4所示，顶电极Pt接地，底电极ITO逐渐施加负扫描电压，扫描步长为0.005V，从-0.82V逐渐增大电压到-2.5V，利用这个负反馈过程，经步骤(1)储存在ITO中的氧离子逐渐返回氧空位纳米导电丝中，使氧空位纳米导电丝尺寸逐渐被减小而形成纳米点接触结构；

通过控制负扫描电压的大小能够控制纳米点接触的量子电导值大小，因而能够构建不同尺寸的量子电导特性的纳米点接触结构；而且，当负扫描电压从-0.82V逐渐增大电压到-2.5V时，如图5所示，对应的电导值(读电压为0.02V)以0.5G₀为间隔从16G₀连续减小到0.5G₀，即，电导值依次为16G₀、15.5G₀、15G₀、14.5G₀、14G₀、13.5G₀……获得32个量子电导存储态。

(3)循环测试

重复上述步骤(1)与(2)作一次循环，如图6中的a图所示，经过15次循环，得到负反馈过程中的电压电导曲线吻合非常好，说明构建的纳米点接触结构高度可控，对应的量子电导态具有优异的抗疲劳特性。

(4)室温保持性测试和高温保持性测试

如图6中的b图和图6中的c图，经测试，在0.02V读电压下，该构建的纳米点接触结构获得的量子电导态在300K下能够保持7000s，在400K下的保持性大于1000s，该时间尺度和温度已经可以满足电路中的逻辑运算，此实验进一步验证该构建的纳米点接触结构非常可控和稳定，对应的量子电导态具有优异的保持特性。

实施例2：

本实施例中，三明治结构器件与实施例1中的三明治结构器件完全相同，其制备方法也与实施例1中的制备方法完全相同。

利用Keithley 4200半导体参数测量仪电对该三明治结构器件进行如下电处理和表征：

(1)正向电压作用

此过程同实施例1中的过程(1)，使二氧化铪中的氧离子沿着缺氧区域迁移注入到ITO底电极中，并在缺氧区域形成氧空位纳米导电丝，形成相对较大的电导值，

(2)反向电压作用

然后，顶电极Pt接地，底电极ITO逐渐施加负脉冲电压，脉宽为20s，幅值从-0.52V逐渐增大到-1.92V，如图7所示，利用这个负反馈过程，经步骤(1)储存在ITO中的氧离子逐渐返回氧空位纳米导电丝中，使氧空位纳米导电丝尺寸逐渐被减小而形成纳米点接触结构；

通过控制负脉冲电压的大小能够控制纳米点接触的量子电导值大小，因而能够构建不同尺寸的量子电导特性的纳米点接触结构；而且，当负脉冲电压幅值从-0.52V逐渐增大到-1.92V时，如图7所示，对应的电导值(读电压为0.02V)以0.5G₀为间隔从16G₀连续减小到0.5G₀，获得32个量子电导存储态。

对比实施例1：

本实施例中，三明治结构器件包括底电极，金属氧化物以及顶电极，金属氧化物位于底电极与顶电极之间。

本实施例中，底电极采用惰性电极Pt，不具有储氧功能；与实施例1相同，金属氧化物采用薄膜内均匀分布纳米尺寸氧空位区域的二氧化铪，厚度优选5nm-15nm；顶电极采用惰性Pt薄膜，其厚度为50nm。

本实施例采用镀膜的方法制备该三明治结构器件，制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，所不同的是用惰性的Pt电极代替步骤(1)中的表面镀ITO的玻璃片。

利用Keithley 4200半导体参数测量仪对该三明治结构器件进行如下电处理和表征：

(1)首先将三明治结构器件的顶电极Pt接地，底电极Pt施加正电压，限流为0.5mA，如图8所示，逐渐增大电压，当电压增大到0.75V时，器件电流突然增大，此过程使二氧化铪中的氧离子沿着缺氧区域迁移注入到Pt底电极与HfO₂界面，，并在缺氧区域形成氧空位纳米导电丝，其对应的电导值为17.5G₀。

(2)然后，如图9所示，顶电极Pt接地，底电极Pt逐渐施加负扫描电压，扫描步长为0.005V，从-0.45V逐渐增大电压到-0.7V，利用这个负反馈过程，经步骤(1)储存在Pt底电极与HfO₂界面的氧离子随机返回氧空位纳米导电丝中，使氧空位纳米导电丝被减小。如图9所示，随着负电压的增大，表现为电流非常快地被减小，使氧空位纳米导电丝迅速被减小，并非如图4所示氧空位纳米导电丝尺寸逐渐被减小，因此很难控制纳米点接触结构的量子电导特性。如图10所示，对应的纳米点接触结构的电导值(读电压为0.02V)并不能如5所示以0.5G₀为间隔连续地减小，依次呈现为17G₀、16.5G₀、16G₀、15.5G₀、15G₀、14.5G₀、14G₀、13.5G₀……直至0.5G₀，而是如图10所示随机跳变地减小，只能获得10个非连续的随机量子电导态。该实施例进一步说明将具有储氧功能的导电材料作为底电极是构建不同尺寸的具有高度可控量子电导特性的纳米点接触结构的必要条件。

上述实施例对本发明技术方案进行了系统详细的说明，应理解的是上所述实例仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明。凡在本发明原则范围内所做的任何修改、补充或等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。