[发明专利]一种异质结、铁电隧道结及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种异质结及其制备方法、铁电隧道结及其制备方法，以及铁电隧道结在忆阻器或阻性开关器件中的应用，属于微电子材料技术领域。

背景技术

异质结是两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。异质结可以利用界面合金、外延生长、真空淀积等技术制造，异质结常具有优良的光电特性，使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等。隧道结由两个金属电极和夹在里面的纳米厚绝缘层（即势垒层）组成。量子力学告诉我们，一个电子的波函数可以以一定的概率穿透势垒。该透射率指数地取决于势垒的高度和宽度。超导约瑟夫森结和磁性隧道结都是量子隧道效应的典型应用，已经引起了人们的广泛关注。最近，随着钙钛矿型氧化物薄膜生长技术的进步，在几个晶格单元厚度的薄膜中仍然可以维持其铁电性，这使得采用超薄铁电陶瓷势垒来实现铁电隧道结（FTJ）成为可能。

FTJ的概念可以追溯到20世纪70年代早期， Esakie等人报道了铌酸铋势垒FTJ。然而，FTJ的控制机制仅仅在最近才得以制定。不同于传统的隧道结，FTJ可以通过极化反转使得电子的势垒在高值和低值之间切换，这可实现隧道电阻的电开关，即所谓的隧道电阻（TER）。可靠的巨TER已有报道在BaTiO₃和Pb(Zr,Ti)O₃ FTJ中获得。众多的研究成果表明，在非易失性纯电子电阻式存储器领域，FTJ是很有前途的新一代产品。此外，四隧道电阻态之间的非易失性开关已在多铁隧道结中实现。最近，Chanthbouala等人又在FTJ中实现了铁电忆阻行为。

另外，隧道透光率不仅依赖势垒高度，也指数地依赖于势垒宽度。如果势垒宽度和势垒高度同时可调，TER将大大增强。Zhuravlev等人建立起铁电性调制势垒宽度的FTJ开关机制。然而，在传统的金属/铁电/金属FTJ中，这种调制会受到金属中短屏蔽长度所限制，这一问题的存在也影响了FTJ的推广应用。

如果使用半导体材料替代下电极金属可以解决这个问题，当超薄铁电势垒极化反转时，由于铁电场效应作用半导体表面可以在多数载流子的积累和耗尽状态之间切换，因此，随着铁电势垒中势垒高度开关对极化反转响应，存在对势垒宽度的一个额外的调谐。这是因为如果半导体表面耗尽，隧穿电子必须经历在空间电荷区的一个额外的势垒。理论计算发现，对于适度的极化值，TER值可至少比金属/铁电/金属FTJ大一到两个数量级。但据了解，目前有人做了外延应变诱导或增强薄膜铁电性方面的研究和探索，并通过生长介电和铁电超晶格获得非本征的铁电响应，在上述研究中要求衬底和薄膜是同构的，且多数采用了非硅材料，未见将半导体硅用在FTJ上的相关报道。

对于金属/铁电/半导体FTJ来讲，最难的就是铁电与半导体的直接外延集成问题，特别是将铁电直接集成到主流半导体硅上，因为单晶硅半导体在空气中很容易被氧化，实现铁电薄膜和半导体硅的直接接触十分困难。如果解决了这一问题，在以硅为航空母舰的现代信息产业中，硅工艺已经非常成熟，可以大大节省了生产线改装的成本，直接利用现有的成熟的硅工艺，节省了人力、物力和科研成本的投入，意义非常重大。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种异质结，该异质结具有自发极化和180^o畴界，在较大的外电场作用下，自发极化方向可以发生翻转。

本发明还提供了该异质结的制备方法，通过本发明的方法，可以将钛酸锶直接沉积到非本征硅表面，实现了钛酸锶和非本征硅的良好结合。非本征硅，即非纯硅，在本发明中指的是n型或p型掺杂的硅。

本发明还提供了一种铁电隧道结，该隧道结具有三明治结构，势垒宽度和势垒高度同时可调，隧道电阻大大增强。

本发明还提供了该铁电隧道结的制备方法，该方法能够方便、快捷的制备该隧道结，便于工业化大生产。

本发明还提供了该铁电隧道结的应用。

本发明通过方法的改进，在半导体上沉积了钛酸锶铁电薄膜，所述半导体为非本征硅，具体是指n型或p型掺杂的硅，钛酸锶和半导体结合形成了钛酸锶/非本征硅异质结，该异质结性能良好，在异质结表面镀上金属电极，可以形成三明治结构的铁电隧道结，其中异质结表面的金属电极作为上电极，钛酸锶薄膜作为中间的势垒层，非本征硅半导体作为下电极。异质结具有自发极化和180^o畴界，在较大的外电场作用下，自发极化方向可以发生翻转，通过控制自发极化的翻转可以实现对势垒高度和势垒宽度的调控。隧道结成分的改变，使所得铁电隧道结的隧道电阻大大增强，在忆阻器和阻变存储器——阻性开关器件中具有很好的应用。