和Au薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息存儲(chǔ)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于信息存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于BiFeCVfP Au薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息存儲(chǔ)裝置及基于該信息存儲(chǔ)裝置的信息存儲(chǔ)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]信息作為人類社會(huì)三大資源之一，對(duì)人們生產(chǎn)生活的影響無(wú)處不在，在2007年的國(guó)際半導(dǎo)體器件發(fā)展路線圖(ITRSD)中單獨(dú)新開辟一章，命名為“新型存儲(chǔ)器件與材料”，其中強(qiáng)調(diào)指出，設(shè)計(jì)研發(fā)新一代的基于新的信息存儲(chǔ)機(jī)制的存儲(chǔ)器件具有重要的意義。實(shí)現(xiàn)信息容量大、信息保存時(shí)間長(zhǎng)、信息讀寫能耗低、信息存取方便快捷、性能價(jià)格比高的存儲(chǔ)器件是未來(lái)信息技術(shù)領(lǐng)域長(zhǎng)期的研宄目標(biāo)。
[0003]當(dāng)前存儲(chǔ)技術(shù)的研宄領(lǐng)域主要集中在磁存儲(chǔ)、光存儲(chǔ)和鐵電存儲(chǔ)三種存儲(chǔ)技術(shù)上。磁存儲(chǔ)雖然已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于磁盤，但是磁存儲(chǔ)技術(shù)仍存在諸多不足:通過(guò)磁頭和運(yùn)動(dòng)著的磁介質(zhì)相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的寫入和讀出，能耗較大；寫入過(guò)程中為了產(chǎn)生足夠強(qiáng)的寫入磁信號(hào)，需要一定數(shù)量的線圈，這使得寫入磁頭的尺寸難以縮小，對(duì)密度的提高造成影響。光存儲(chǔ)技術(shù)的讀出速度快，而且是非破壞性的，但是光存儲(chǔ)在信息寫入時(shí)需要利用激光的熱效應(yīng)在光盤上燒出凹坑，耗能較大且速度很慢，而且密度受激光波長(zhǎng)限制，存儲(chǔ)容量有限。因此，從信息寫入的方式來(lái)看，“電寫入”是一種速度快、能耗低、密度大的方式，這正是鐵電存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)。
[0004]鐵電存儲(chǔ)技術(shù)是基于鐵電材料的自發(fā)極化特性。在一些電介質(zhì)晶體中，晶胞的結(jié)構(gòu)使正負(fù)電荷重心不重合而出現(xiàn)電偶極矩，產(chǎn)生不等于零的電極化強(qiáng)度，使晶體具有自發(fā)極化，即鐵電性。對(duì)于一塊未極化的鐵電晶體，電疇隨機(jī)排列，凈極化強(qiáng)度為零。當(dāng)外加一個(gè)電場(chǎng)時(shí)，電疇同時(shí)向電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，形成宏觀的凈鐵電極化；當(dāng)施加一個(gè)足夠大的反向電場(chǎng)時(shí)，鐵電極化方向可以被反轉(zhuǎn)。特別是當(dāng)移去電場(chǎng)后，鐵電疇電極化狀態(tài)保持不動(dòng)，存儲(chǔ)器的狀態(tài)也得以保存不會(huì)消失，即實(shí)現(xiàn)“非易失性”存儲(chǔ)。這種可被外電場(chǎng)調(diào)制的鐵電極化狀態(tài)(“I”或“O”)使得鐵電材料可以作為存儲(chǔ)器。鐵電疇的反轉(zhuǎn)不需要高電場(chǎng)，僅用一般的工作電壓就可以改變存儲(chǔ)單元是在“ I”或“O”的狀態(tài)，隨著在薄膜制備技術(shù)和工藝上取得的進(jìn)展以及電極材料和新的鐵電薄膜材料的發(fā)展，由鐵電材料制成的存儲(chǔ)器能在(3?5)V甚至更低的電壓下工作，因此鐵電存儲(chǔ)具有寫入速度快、能耗低、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。
[0005]但是鐵電存儲(chǔ)器在讀取信息時(shí)，同樣需要施加電場(chǎng)，這對(duì)鐵電疇的極化狀態(tài)會(huì)有影響，是一種破壞性的讀取過(guò)程。因此，如果能把鐵電存儲(chǔ)的信息“寫入”優(yōu)勢(shì)和光存儲(chǔ)的信息“讀出”優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“電寫入、光讀取”將會(huì)是一種十分理想的信息存儲(chǔ)方式，其具有信息寫入速度快、能耗低，信息保存時(shí)間長(zhǎng)、信息讀出速度快、非易失，信息存取方便快捷的優(yōu)點(diǎn)。
[0006]基于導(dǎo)電針尖技術(shù)的信息存儲(chǔ)系統(tǒng)是進(jìn)行非易失性高密度存儲(chǔ)器件研宄的一類理想的發(fā)展方向。當(dāng)前許多信息寫入原理都計(jì)劃使用導(dǎo)電針尖技術(shù)寫入【現(xiàn)有技術(shù)I:Sebastian A, Pantazi A, Pozidis H, and Elefther1u E, ‘‘Nanoposit1ning forprobe-based data storage，，in Proceedings of IEEE Conference on IEEE ControlSystems (IEEE, 2008), pp.26-35.】。大量科研人員考慮到鐵電薄膜寫入及擦除原理的無(wú)破壞性，致力于研宄利用電脈沖寫入信息至鐵電薄膜。而近場(chǎng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)可用在光學(xué)讀取中【現(xiàn)有技術(shù) 2:Leiprecht P, Kilhler P, Longo M, Leiderer P, Afonso C N, and SiegelJ, “Exploiting optical near fields for phase change memories, ^Appl.Phys.Lett.98,013103(2011).】。是否可以將基于導(dǎo)電針尖技術(shù)把信息寫入鐵電薄膜的存儲(chǔ)技術(shù)與近場(chǎng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合成為了一項(xiàng)新的研宄內(nèi)容。NT-MDT公司生產(chǎn)的NTEGRA平臺(tái)可以將導(dǎo)電探針原子力顯微鏡C-AFM檢測(cè)技術(shù)與掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡檢測(cè)技術(shù)集成并已經(jīng)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，因此可以利用NTEGRA平臺(tái)，基于C-AFM導(dǎo)電針尖技術(shù)進(jìn)行電信息寫入、基于SNOM針尖檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行近場(chǎng)光學(xué)信息讀取。
[0007]鐵酸鉍(BiFeO3)是一種新型室溫多鐵材料，其鐵電居里溫度為643K，用其制成的外延薄膜在室溫下具有很好的鐵電特性，可以利用外加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電極化方向的偏轉(zhuǎn)，極化狀態(tài)可以永久保持，而對(duì)其施加反向電壓則可實(shí)現(xiàn)電極化方向的恢復(fù)。因此利用BiFe0j9鐵電性質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)鐵電存儲(chǔ)，尤其是信息的“電寫入”。
[0008]另一方面，鐵酸鉍(BiFeO3)外延薄膜折射率變化Δη可以達(dá)到0.15?0.3，并且可以通過(guò)外加電場(chǎng)改變電極化方向進(jìn)而改變其折射率【現(xiàn)有技術(shù)3:Choi S G，Yi HT, Cheong S ff, et al.“Optical anisotropy and charge-transfer transit1n energiesin BiFe03from 1.0to 5.5eV.” Phys.Rev.B, 2011，83:100101 (R).】。而傳統(tǒng)電光材料施加電場(chǎng)前后折射率的變化Δη為10_6?10 _2量級(jí)，因此BiFeO3外延薄膜具有良好的電光效應(yīng)。此外，最近有工作證明，一層薄薄的復(fù)折射率材料與金屬等反射性基底形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)薄膜和金屬的折射率與厚度滿足一定條件時(shí)，可見(jiàn)光入射到薄膜上后，會(huì)在薄膜中形成共振吸收，出現(xiàn)吸收峰【現(xiàn)有技術(shù)4:Kats M A, Sharma D, Lin J, et al.“Ultra-thinperfect absorber employing a tunable phase change material.^Appl.Phys.Lett, 2Ol2, 101:22IlOl ;現(xiàn)有技術(shù) 5:Kats M A, Blanchard R, Genevet P and CapassoF.“Nanometre optical coatings based on strong interference effects in highlyabsorbing media.’Mature Mater, 2013, 12:20.】。根據(jù)該共振吸收現(xiàn)象，可以將 BiFeO3夕卜延薄膜的電光效應(yīng)進(jìn)一步放大，再根據(jù)電場(chǎng)調(diào)制后相同波長(zhǎng)處的反射光強(qiáng)強(qiáng)弱，利用光電探測(cè)器及計(jì)算機(jī)對(duì)反射光進(jìn)行處理及閾值對(duì)比得知寫入信息，實(shí)現(xiàn)“光讀取”。
[0009]總之，根據(jù)BiFeO3的以上特性，再利用導(dǎo)電探針原子力顯微鏡檢測(cè)技術(shù)和近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡針尖檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)“電寫入、光讀取”的信息存儲(chǔ)技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是針對(duì)當(dāng)前磁存儲(chǔ)或光存儲(chǔ)技術(shù)的信息“寫入”速度慢、能耗高等問(wèn)題，以及鐵電存儲(chǔ)技術(shù)的信息“讀出”過(guò)程對(duì)電極化狀態(tài)有破壞、存儲(chǔ)介質(zhì)壽命低等問(wèn)題，利用BiFeOj^室溫鐵電性和光學(xué)各項(xiàng)異性及電光效應(yīng)，制作出基于BiFeO 3和Au薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息存儲(chǔ)裝置，將基于導(dǎo)電針尖技術(shù)把信息寫入鐵電薄膜的信息“寫入”優(yōu)勢(shì)和光存儲(chǔ)的信息利用近場(chǎng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)“讀出”優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“電寫入、光讀取”。本發(fā)明具有信息寫入速度快、能耗低，信息保存時(shí)間長(zhǎng)、讀出速度快、非易失，信息存取方便快捷等諸多優(yōu)勢(shì)。
[0011]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0012]一種基于BiFe03和Au薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息存儲(chǔ)裝置，該裝置由BiFeOjP Au薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電探針原子力顯微鏡(Conductive-probe Atomic Force Microscope，C-AFM)、直流電壓源、氦氖激光器、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(Scanning Near-Field OpticalMicroscopy，SN0M)、入射光纖、光電倍增管、計(jì)算機(jī)組成；其特征在于:直流電壓源正、負(fù)極分別與C-AFM的導(dǎo)電探針及BiFeOjP Au薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Au層相連，為BiFeO 3和Au薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供可調(diào)外加電壓，C-AFM的導(dǎo)電探針在BiFeOjP Au薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)BiFeO 3層上表面微接觸掃描加電壓進(jìn)行信息寫入，入射光纖一端與氦氖激光器出光口相連，另一端連接SNOM的SNOM探針，氦氖激光器發(fā)出的入射激光通過(guò)入射光纖傳輸至所述SNOM探針并通過(guò)SNOM探針入射到BiFeOjP Au薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)BiFeO 3