[发明专利]一种单晶LiNbO3

说明书

本发明涉及离子刻蚀、氧气退火与忆阻器领域，尤其涉及一种单晶LiNbO₃薄膜忆阻器及其制备方法。本发明通过Ar⁺刻蚀技术轰击固体表面使表面原子溅射而被逐层剥离使LiNbO的厚度更进一步的降低，同时引入忆阻器所需的氧空位。代替现有技术采用真空退火工艺引入氧空位的手段，并同时降低阈值电压。并且通过氧气氛围下的退火以修复材料表面氧空位一类的缺陷，让引入的氧空位减少，调节材料表面氧空位浓度。最终本发明解决了单晶薄膜忆阻器阈值较高的问题，同时优化了器件的保持力和耐久力。

技术领域

本发明涉及离子刻蚀、氧气退火与忆阻器领域，尤其涉及一种单晶LiNbO₃薄膜忆阻器及其制备方法，基于Ar⁺刻蚀与氧气退火技术。

背景技术

忆阻器是Chua在1971年提出的第四种基本电子元器件，并在2008年被惠普公司科研人员通过实验证实。由于忆阻器具有高集成度，低功耗以及快速计算速度等优点，在非易失性存储器(RRAM)和逻辑运算等领域忆阻器都具有重要的应用潜力。科研人员基于忆阻器具有的多态特点，利用特定的电脉冲来研究类脑的突触特性，这表明忆阻器在神经网络自适应学习领域也具有很大的潜力。

忆阻器件性能的表征量通常有开关比(高阻态阻值与低阻态阻值之比)，保持力(在电场撤去之后电阻保持的能力)以及耐久力(器件在电刺激下阻态变化的次数)。开关比越大，保持力越久，耐久力越强，都是有利于忆阻器件的应用。

迄今为止，大多数忆阻材料主要有多晶型，单晶和无定形形态的二元或三元氧化物材料。材料表面氧空位的导电性和导电细丝与忆阻行为有关。让器件从高阻态往低阻态转变(或低阻态往高阻态转变)的电压为阈值电压，材料表面的氧空位在电场的作用下进入材料中起着阻变作用位置的功能层中形成树枝状的导电细丝，致使器件的阻值降低形成低阻态；当反向施加电压时，导电细丝则在电场的作用下“破裂”，让器件返回高阻态。导电细丝的出现(破裂)的厚度层通常称为功能层，其他厚度层称为非功能层。

尽管基于多晶或非晶材料制备的忆阻器具有较大的开关比和较低的阈值，但在材料制备过程中缺陷较多且氧空位的分布不均匀，致使制备的忆阻器因一致性不好通常较难满足高集成密度的电路系统对一致性的需求。为满足一致性所需，没有较少缺陷的单晶材料被认为是不错的选择，并有研究人员通过实验验证了单晶材料良好的一致性。

在单晶LiNbO薄膜忆阻器的中，功能层通常是靠地底电极附近的厚度层区域，靠近顶部电极的厚度通常是非功能层。在由氧空位构成的导电细丝的忆阻机制中，保持力主要受导电细丝在电场撤去之后的扩散作用影响，当氧空位太少时，器件的阈值较高会让器件调节困难甚至没有忆阻现象；当氧空位过多时，导电细丝会的扩散作用增强，致使低阻态的退化加快。同时在器件反复的电阻调节过程中，进入非功能层(不起阻变作用的材料厚度层)的氧空位增多，致使器件出现随调节次数的增多而高阻态降低甚至器件被击穿的现象出现或增强。

现有的单晶薄膜忆阻器的制备方式主要通过对Z切单晶LiNbO进行真空退火引入氧空位，然后磁控溅射制作电极来制得。

然而最终制备的单晶LiNbO薄膜忆阻器，忆阻材料厚度通常是400nm附近，且阈值电压通常为几十伏特(24V以上)，较高的阈值电压导致电阻状态调节不便以及不安全，特别是在大型神经网络电路、突触仿真和电子系统等应用中，这是因为CIS与CMP制备的单晶薄膜材料仍然相对较厚。同时因为真空退火引入的氧空位较少以及厚度较大，为获得较好的保持力，在器件应用中通常需要施加更高幅值，更长脉宽的电压，这进一步限制了单晶LiNbO薄膜忆阻器的应用。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决现有的单晶薄膜LiNbO忆阻器阈值电压较高的问题，本发明提供了一种单晶LiNbO₃薄膜忆阻器及其方法，降低了忆阻器阈值电压的同时又具备较好的耐久力。

一种单晶LiNbO₃薄膜忆阻器的制备方法，包括如下步骤：