[发明专利]具有单边阻变特性的碳基材料阻变存储单元及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有单边阻变特性的碳基材料阻变存储单元及其制备方法，本发明碳基材料阻变存储单元包括衬底层、位于所述衬底层上的阻变层、位于所述阻变层上的包含两个平面电极的电极层，所述阻变层为掺杂有磁性元素的非晶碳薄膜阻变层，其中所述磁性元素的掺杂质量比为5‑20 wt%。本发明通过一种新颖的电极结构使阻变现象仅发生在负电压，单边阻变现象使阻变存储单元热量损耗更小，提升阻变存储单元读取次数。本发明通过在非晶碳中掺杂磁性元素，使得掺杂的非晶碳薄膜阻变层在具有稳定阻变特性的同时还具有一定磁特性；阻变窗口>10，存储时间>1×10⁵ s；结构简单，成本低廉。

技术领域

本发明涉及一种非易失性存储器及其制备方法，阻变存储器及其制备方法，应用于电化学技术和微电子技术领域。

背景技术

目前，硅基闪存设备由于密度高、成本低，占据了非易失性存储器（NVM）市场的半边天。随着移动存储设备、手机通信设备以及数码相机等各种便携式数码产品的发展与普及，市场对非易失性存储的需求进一步增加，除了密度高、成本低，还应具有功耗低、读写速度快、性能稳定、存储时间长等特点。然而闪存的缩放特性，即进一步提高闪存密度，已接近其物理极限，因此功耗低、擦写速度快、缩放性强的阻变存储器应运而生，被视为下一代非易失性存储器的主流材料之一。

阻变存储器的结构简单，其存储单元由类似电容器的MIM（金属-绝缘体-金属）的三明治结构构成，中间薄膜一般为具有阻变特性的介质薄膜。当对存储单元两端电极施加大小或者极性不同的电压时，可以实现高、低阻态的相互转换。目前，科研工作者发现很多材料具有阻变性能：

1.二元过渡金属氧化物（TMOS），如TiO₂，Cr₂O₃和NiO；2.钙钛矿型复合过渡金属氧化物，这些氧化物具有各种功能、顺电性、铁电性、磁电性和磁性，如(Ba, Sr)TiO₃，Pb(Zr_xTi_1-x)O₃，BiFeO₃，Pr_xCa_1-xMnO₃；3.能带宽高k值的氧化物电介质，如Al₂O₃和Gd₂O₃；4.硫属化合物，如In₂Se₃和In₂Te₃；5.碳基材料，如非晶碳膜，石墨烯，氧化石墨烯等。与其他RRAM材料相比，非晶碳膜具有缩放性能持久稳定、成本低廉、与标准CMOS工艺兼容性好等优点。

根据发生阻变的电压极性，可以将阻变模式分为单极型阻变特性和双极型阻变特性。单极型阻变特性是指阻变的发生不依赖于电压极性，而双极型则是在某一电压极性下发生SET过程，在相反的电压极性下出现RESET过程。最近，在ZnO和Nb:SrTiO₃中发现了一种单边阻变特性，SET或RESET过程出现在零偏压的时候。但目前对磁性元素掺杂非晶碳膜阻变存储单元的研究未见文献报道。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种具有单边阻变特性的碳基材料阻变存储单元及其制备方法，通过在非晶体碳中掺杂磁性元素，使得不含磁性元素的非晶碳薄膜阻变层具有磁性、单边阻变特性，且阻变性能稳定。

为达到上述发明创造目的，采用下述技术方案：

一种具有单边阻变特性的碳基材料阻变存储单元，依次由衬底层、阻变层和电极层组成三明治结构，阻变层位于底层和电极层之间，电极层由阴极薄膜和阳极薄膜两个图案化的平面电极组成，形成平面电极结构，阻变层为掺杂有磁性元素材料的非晶碳薄膜复合材料阻变材料薄膜，在阻变层中，其中磁性元素材料的掺杂质量为5～20 wt%。

上述阻变层的厚度优选为50～150nm。