一种对环境因素敏感的忆阻器的制备方法

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一种对环境因素敏感的忆阻器的制备方法
申请号	CN201811188337.4	申请日	2018-10-12	公开(公告)号	CN109449287B	公开(公告)日	2020-04-07
申请人	西南交通大学;			发明人	孙柏; 李小霞; 付国强; 陈元正; 李冰; 赵勇;
摘要	本发明公开了一种对环境因素敏感的忆阻器的制备方法，具体包括如下步骤：S1：清洗衬底；S2：溅射沉积Cu2ZnSnSe4薄膜：在控溅射获得Cu2ZnSnSe4薄膜；S3：溅射沉积BiFeO3薄膜：经步骤S2处理后，在Cu2ZnSnSe4薄膜上磁控溅射获得BiFeO3薄膜；S4：制备上电极：在沉积好的BiFeO3薄膜表面沉积上电极，获得对环境因素敏感的忆阻器。本发明提供的对环境因素敏感的忆阻器的制备方法，步骤简单，可操作性强，适于产业化生产；所制备的忆阻器件，表现出优异的忆阻性能，器件结构简单、重复性好、成本低，在新型存储器、未来外太空的探索等电子器件领域具有很好的应用前景。
权利要求	1.一种对环境因素敏感的忆阻器的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤： S1：清洗衬底：将基片清洗、吹干后放入磁控溅射室中； S2：溅射沉积Cu2ZnSnSe4薄膜：在磁控溅射靶枪上安装Cu2ZnSnSe4化合物靶材，Cu、Zn、Sn、Se原子比为2:1:1:4，设靶基距为8-12cm，在磁控溅射腔室本底抽真空后，通入高纯氩气作为工作气体，设置溅射气压为0.5～1.0Pa，衬底温度为200～300℃，溅射功率80～100W/cm2，溅射时间为20～30min，获得Cu2ZnSnSe4薄膜； S3：溅射沉积BiFeO3薄膜：经步骤S2处理后，在磁控溅射靶枪上安装BiFeO3化合物靶材，Bi、Fe、O原子比为1:1:3，设置靶基距为8-12cm，对磁控溅射腔室抽本底真空后，通入高纯氩气作为工作气体，设置溅射气压为0.5～1.0Pa，衬底温度为室温，溅射功率为80～100W/cm2，溅射时间为15～20min，获得BiFeO3薄膜； S4：制备上电极：在沉积好的BiFeO3薄膜表面沉积上电极，获得对环境因素敏感的忆阻器。 2.根据权利要求1所述的对环境因素敏感的忆阻器的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，清洗采用的具体方法为：将基片依次放入去离子水、酒精、丙酮、酒精、去离子水中，分别超声清洗10～20min，基片使用氮气吹干后放入磁控溅射室中。 3.根据权利要求1所述的对环境因素敏感的忆阻器的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，将磁控溅射腔室本底真空度抽至3.6×10-4Pa，高纯氩气纯度为99.999％。 4.根据权利要求1所述的对环境因素敏感的忆阻器的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，将磁控溅射腔室本底真空度抽至3.6×10-4Pa，高纯氩气纯度为99.999％。 5.根据权利要求1所述的对环境因素敏感的忆阻器的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，在沉积好的BiFeO3薄膜表面覆盖具有孔径为1mm的金属掩模版，采用直流溅射法沉积上电极。 6.根据权利要求1所述的对环境因素敏感的忆阻器的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，BiFeO3薄膜的厚度150～200nm。 7.根据权利要求1所述的对环境因素敏感的忆阻器的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，Cu2ZnSnSe4薄膜的厚度400～600nm。 8.根据权利要求1-7任一所述的对环境因素敏感的忆阻器的制备方法，其特征在于：所述基片为覆盖有FTO薄膜的基底，所述基底为平整玻璃或石英。 9.根据权利要求1-7任一所述的对环境因素敏感的忆阻器的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，上电极采用银。
说明书全文	一种对环境因素敏感的忆阻器的制备方法技术领域 [0001] 本发明属于半导体薄膜器件领域，具体涉及一种对环境因素敏感的忆阻器的制备方法。背景技术 [0002] 随着信息数字化、计算机技术、互联网以及便携式电子产品的快速发展，电子器件在生活中的作用越来越重要，我们每天都要通过电子器件处理和接受海量的信息。因此，人们对电子器件的性能提出了更高的要求，如快的速度，高的存储容量，长的使用寿命，小的体积等等。然而，对存储器件而言，目前基于电荷存储的传统半导体存储器件因为尺寸的缩小而遇到严峻的物理理论和制备技术的双重限制，因而无法满足当今信息技术迅速发展的需要。因此突破现有存储技术的瓶颈对将来信息技术的进一步发展具有重大的意义。目前，存储器大体可以分为两类，即：A、易失性的随机存储器；B、非易失性存储器。忆阻随机存储器(Resistive Switching Random Access Memory，简称RRAM)是近年来新型的一种基于电流控制电阻变化的非易失性存储器。忆阻器具有结构简单，存储单元小，读写速度快且制备技术相对简单等优点。该存储器件的基本存储单元是：顶电极/介电层/底电极的三明治结构，研究者认为RRAM是下一代最具应用前景的新概念存储器件之一。 [0003] 在忆阻器的研究中，室温下具有存储特性的存储器件备受研究者的关注。同时，增加额外的参数提高忆阻器件存储特性能也是解决当前对电子产品功能需求一条重要途径。环境因素敏感的忆阻器具有一个特殊的忆阻效应，受到了科研人员的广泛关注，电子器件在复杂环境下(如黑暗、普通、加光、加热)下的使用越来越重要，应用前景在将来外太空的探索有非常重要的作用，通过环境条件调控忆阻器的特性可以明显增加该器件的存储态，提高存储器件的存储密度。该调控方法易于调控，也是提高存储性能最简单，廉价的途径之一。 [0004] 因此，研究环境因素敏感的忆阻器制备方法将具有重大的意义，很可能为开发新型电子器件，为实现性能更优异的电子器件的发展提供新的途径。发明内容 [0005] 本发明的目的是解决上述问题，开发了一种对环境因素敏感的忆阻器的制备方法，该器件结构简单、性能优异、稳定、重复性好，同时对环境因素敏感，增加了存储器的控制条件，提高了存储器件的存储密度。在新型多态存储电子器件领域及未来多功能电子器件的探索中具有良好的应用前景。 [0006] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种对环境因素敏感的忆阻器的制备方法，具体包括如下步骤： [0007] S1：清洗衬底：将基片清洗、吹干后放入磁控溅射室中； [0008] S2：溅射沉积Cu2ZnSnSe4薄膜：在磁控溅射靶枪上安装Cu2ZnSnSe4化合物靶材，Cu、Zn、Sn、Se原子比为2:1:1:4，设靶基距为8-12cm，对磁控溅射腔室本底抽真空后，通入高纯氩气作为工作气体，设置溅射气压为0.5～1.0Pa(溅射气压的大小直接会影响薄膜的致密度)，衬底温度为200～300℃(衬底温度高低会影响晶向分布)，溅射功率80～100W/cm2，溅射时间为20～30min，获得Cu2ZnSnSe4薄膜； [0009] S3：溅射沉积BiFeO3薄膜：经步骤S2处理后，在磁控溅射靶枪上安装BiFeO3化合物靶材，Bi、Fe、O原子比为1:1:3，设置靶基距为8-12cm，对磁控溅射腔室抽本底真空后，通入高纯氩气作为工作气体，设置溅射气压为0.5～1.0Pa，衬底温度为室温，溅射功率为80～100W/cm2，溅射时间为15～20min，获得BiFeO3薄膜； [0010] S4：制备上电极：在沉积好的BiFeO3薄膜表面沉积上电极，获得对环境因素敏感的忆阻器。 [0011] 上述技术方案中，所述步骤S1中，清洗采用的具体方法为：将基片依次放入去离子水、酒精、丙酮、酒精、去离子水中，分别超声清洗10～20min，基片使用氮气吹干后放入磁控溅射室中。 [0012] 上述技术方案中，所述步骤S2中，将磁控溅射腔室本底真空度抽至3.6x10-4Pa，高纯氩气纯度为99.999％。 [0013] 上述技术方案中，所述步骤S3中，将磁控溅射腔室本底真空度抽至3.6x10-4Pa，高纯氩气纯度为99.999％。 [0014] 上述技术方案中，所述步骤S4中，在沉积好的BiFeO3薄膜表面覆盖具有孔径1mm的金属掩模版，采用直流溅射法沉积上电极。上电极可以为条形、圆形等形状的电极，在本发明中沉积圆形的上电极。 [0015] 上述技术方案中，所述步骤S2中，BiFeO3薄膜的厚度为150～200nm。 [0016] 上述技术方案中，所述步骤S3中，Cu2ZnSnSe4薄膜的厚度400～600nm。 [0017] 上述技术方案中，所述基片为覆盖有FTO薄膜的基底，所述基底为平整玻璃或石英。 [0018] 上述技术方案中，所述步骤S4中，上电极采用银。 [0019] 本发明提供的对环境因素敏感的忆阻器的制备方法，其创新点在于：尽管目前关于电阻开关的报道有很多，但很少有材料同时对多种额外的条件敏感，在本发明中中，使用Cu2ZnSnSe4和BiFeO3作为电阻开关的功能层，制备了具有Ag/BiFeO3/Cu2ZnSnSe4/FTO结构的电子器件可同时对多种条件敏感(黑暗，普通，加光，加热等)，为发展下一代新概念多功能存储器奠定了良好的基础。 [0020] 本发明的有益结果是：本发明提供的对环境因素的忆阻器的制备方法，步骤简单，可操作性强，适于产业化生产；所制备的忆阻器件，表现出优异的忆阻性能，器件结构简单、重复性好、成本低，在新型存储器、未来外太空的探索等电子器件领域具有很好的应用前景。附图说明： [0021] 图1是实施例制备的忆阻器件(结构为Ag/BFO/CZTSe/FTO)的XRD图谱； [0022] 图2是实施例制备的忆阻器件在不同测试条件下的电流-电压特征曲线； [0023] 图3是实施例制备的忆阻器件在不同测试条件下的阻态-时间特征曲线； [0024] 图4是实施例制备的忆阻器件在不同测试条件下的阻态-圈数特征曲线。具体实施方式 [0025] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明： [0026] 本发明提供的一种对环境因素敏感的忆阻器的制备方法，包括以下步骤： [0027] S1：清洗衬底：以覆盖有FTO薄膜的平整玻璃作为基片，将基片依次放入去离子水、酒精、丙酮、酒精、去离子水中，分别超声10～20min，再使用氮气吹干后放入磁控溅射室中，备用； [0028] S2：溅射沉积Cu2ZnSnSe4(CZTSe)薄膜：在磁控溅射靶枪上安装Cu2ZnSnSe4化合物靶材，Cu、Zn、Sn、Se原子比为2:1:1:4，设靶基距为8-12cm，将磁控溅射腔室本底真空度抽至3.6×10-4Pa，在通入纯度为99.999％的高纯氩气作为工作气体，设置衬底温度为200℃，将溅射室本底真空度抽至小于1×10-3Pa，通入纯度为99.999％的氩气作为工作气体，设置溅射气压为0.6Pa，衬底温度为200℃，溅射功率80W/cm2，溅射时间为20min，获得Cu2ZnSnSe4薄膜； [0029] S3：溅射沉积BiFeO3(BFO)薄膜：经步骤S2处理后，在磁控溅射靶枪上安装BiFeO3化合物靶材，Bi、Fe、O原子比为1:1:3，设置靶基距为8-12cm，将磁控溅射腔室本底真空度抽至3.6×10-4Pa，在通入纯度为99.999％的高纯氩气作为工作气体，设置衬底温度为200℃，将-3 溅射室本底真空度抽至小于1×10 Pa，通入纯度为99.999％的氩气作为工作气体，设置溅射气压为0.8Pa，溅射功率为80W/cm2，溅射时间为20min，获得BiFeO3薄膜； [0030] S4：制备上电极：在沉积好的BiFeO3薄膜表面覆盖上具有孔径～1mm的金属掩模版，采用直流溅射法沉积圆形的Ag电极。 [0031] 如图1所示，是本实施例制得的Ag/BFO/CZTSe/FTO薄膜的XRD图谱。从图1中可知24度附近的最强峰为CZTSe的特征峰，其择优取向为(110)。29度附近发现BFO最强的的特征峰，其择优取向为(111)，43度附近发现Ag元素的衍射峰，其择优取向为(200)，63度附近发现SnO2的最强峰，其择优取向为(111)，从XRD的图谱可以看出，该器件无其它杂峰。 [0032] 如图2所示，是本实施例制得的器件在不同的测试条件下的电流-电压(I-V)特征曲线。其中图(a)是普通条件下的电流-电压(I-V)特征曲线。图(b)是黑暗条件下的电流-电压(I-V)特征曲线。图(c)是加热到400K条件下的电流-电压(I-V)特征曲线。可以从图2中明显看出，该器件在不同测试条件下呈现出不同的电流-电压(I-V)特征曲线。 [0033] 如图3所示，是本实施例制得的器件在不同的测试条件下，工作电压1.025V时的电阻-时间的特征曲线。其中图(a)是普通条件下的阻态-时间特征曲线。图(b)是黑暗条件下的阻态-时间特征曲线。图(c)是加热到400K条件下的阻态-时间特征曲线。从图3中可以看出在相同的工作电压下，不同的测试环境对该件阻态变化的影响较为明显。 [0034] 如图4所示，是本实施例制得的器件在模拟的可变测试环境下的阻态-圈数的特征曲线，从图(a)可以看出环境对该器件的电阻变化较为明显，可以通过环境调控实现多态存储。图(b)是该器件在400K温度下测试500圈的阻态-圈数图。 [0035] 综上所述，本发明提供的对环境因素敏感的忆阻器的制备方法，步骤简单，可操作性强，适于产业化生产；制得的器件结构简单、性能优异、稳定、重复性好，对环境因素敏感，具有很好的应用前景，值得在业内推广。 [0036] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。