[发明专利]隧道二极管和具有这种隧道二极管的存储元件

说明书

本发明涉及一种隧道二极管，它有二个中间带有绝缘介质的金属导电电极，构成对电子具有一定势垒高度的势垒，而且该势垒有一厚度从而在其电压高于阈值电压时电子能穿过势垒从一电极到另一电极。本发明还涉及存储元件。

这样的隧道二极管已在S.M.Sze所著半导体器件物理学的第九章隧道器件中公开。此隧道二极管也称为MIM(“金属-绝缘体-金属”)二极管或MIS(“金属-绝缘体-半导体”)二极管，这里“金属”应理解为指优良导体材料。在两电极间加上超过阈值电压的电压后，电子能穿过隧道从一电极到另一电极。电压低于阈值电压时电子不能跨越势垒。这样的开关元件非常适用于高频。

此公知的隧道二极管的缺点是无存储性能，在许多应用中希望隧道二极管保持一定的开关状态，例如在室温的实际条件下开/关。

本发明的目的是要克服所说的缺点。

按照本发明，用以达到此目的器件的特征是，该介质包括一在室温下为铁电体的材料层，带有影响势垒高度的剩余极化。

从而使隧道二极管按照介质的剩余极化有几个开关状态。极化的数值和方向影响势垒高度，或者换言之，通过铁电体介质的剩余极化改变势垒的形状。在电极上加某一电压，电子穿过介质要取决于势垒高度，所以或多或少的隧道电流能流过隧道二极管。因此此隧道二极管有几个开关状态。此铁电体介质可以从一种极化状态转换到另一种极化状态，由于电压加到电介质从而使铁电体材料的开关电场在介质中得到。此开关状态保持到介质的极化状态改变。

如果介质中存在所谓“陷阱”，在这种情况下，电子借助于陷阱能通过介质(“帮助建立隧道的陷阱”)，则介质的厚度可以较大。然而这样的介质难以用可重复的方式制造。铁电体材料层的厚度最好小于100。不借助陷阱在较低电压下建立电子贯穿介质的隧道是可能的。很薄的铁电体材料层已不再能获得二极管特性，而被有一定的低电阻性能的二极管代替。铁电体材料层的厚度最好大于1以获得二极管特性。

铁电体材料层中的剩余极化取决于层的结构在不同方向可以有不同的值。剩余极化的大小和方向增强或减弱，影响加在电极之间的电场，因而影响势垒高度和隧道电流。两电极最好采用几乎是平行板的形状，剩余极化最大分量的方向实质上与板垂直。当电压跨接在两电极上时，剩余极化最大分量的方向与电极间的电场平行或逆平行。此时极化效应对势垒的高度和宽度的影响处于最大。当铁电体材料层，即铁电体介质在单晶金属导电氧化物的电极上外延生长时，能得到这样的材料。铁电体材料层的生长方向要如此选择，铁电体材料的优选的极化轴，即指向剩余极化的最大分量方向，实质上与板垂直。极化方向与加到电极之间的电场平行的，介质有这样一种结构，即剩余极化处于最大状态。此金属导电氧化物层包括诸如镧-键-钴氧化物、钌酸锶、钒酸锶、或掺杂铟的氧化锡等公知的单晶材料。金属导电氧化物和铁电体介质用诸如脉冲激光沉积(PLD)、溅射、分子束外延(MBE)或金属有机化学汽相沉积(MOCVD)等标准工艺制得。此材料可提供在非晶基底上，而金属导电电极最好提供在单晶基底上。单晶基底最好与所用的导电氧化物和铁电体介质一起有令人满意的晶格配合(+-10％)。用外延法提供铁电体提质是较简单的。用于单晶基底的材料实例有钛酸锶、氧化镁。镁-铝氧化物或铌酸锂等。然而硅或镓的砷化物的基底也可以使用适合的缓冲层，例如Pr₆O₁₁或CeO₂。

在另一个实施例中，介质包括在不同的开关电场改变它们的剩余极化方向的二个或多个铁电体材料层。隧道二极管有二个以上的开关状态。此介质可以，例如在第一电极上以两层不同性质的铁电体的方式生长。在所说的层上还提供第二电极。

在另一个实施例中，隧道二极管包括一电极，其上不只一次地提供了一层铁电体材料和一电极，所以隧道二极管包括几个串联连接的二极管。这种隧道二极管有M(FM)ⁿ结构，这里M代表电极，F代表铁电体介质，而指数n表示包括铁电体介质F和电极M的组合(FM)重复几次，从而建立MFM单元的串联电路。介质厚度每次不必相同。为了有可能提供隧道电流介质较薄，由于在两电极间的介质中的所谓针孔，有时电极间会发生短路。电极之间的短路意味着在单一介质的情况下隧道二极管失效。在按照此实施例的隧道二极管中，在单一介质中针孔的出现对隧道二极管不再是致命的。因此使隧道二极管可靠性提高。