CN105428364B - 石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失性存储器及方法 - Google Patents

石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失性存储器及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失存储器及方法，其外部连接有读出电路，其包括：衬底，位于衬底上的栅极，位于栅极上的介质层，位于介质层上的石墨烯，位于石墨烯上的掺杂有机薄膜，位于掺杂有机薄膜两侧的源漏极；源漏极连接读出电路，栅极和源漏极连接有擦除电路，且栅极接地。本发明的存储器在无外部电源时也可以长期保存数据，并且可以大大缩短读写时间和提高器件灵敏度，实现高灵敏度光触发存储；同时石墨烯和有机薄膜作为柔性材料，有利于存储器的柔性集成。

Description

石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失性存储器及方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种基于石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失性存储器及方法。
背景技术
现代科技的发展，特别是信息技术的发展，使信息存储在各个领域的应用发挥着重要的作用。近年来，计算机、多媒体应用、移动互联网、消费类电子等的迅猛发展，对存储设备的小型化，柔性化需求越来约强烈，特别是对于高性能、低功耗、小体积、非易失的性能需求。
传统的存储器件采用非晶硅浮栅器件作为非易失性闪存，但是市场的需求和工艺技术的不断发展，特别是当器件尺寸小于45纳米，作为非易失性的闪存存储器遇到很大的技术困难；例如，单元尺寸上缩小增加了工艺涨落等。因此，新型结构或者新型存储介质材料的存储器在不断的研究和开发，例如相变存储器、忆阻器等，以解决存储密度的需求和尺寸带来的技术困难。
然而，在解决存储密度和尺寸上的困难的同时，如何缩短数据写入时间，提高灵敏度是技术领域普遍研究的重要课题。
发明内容
为了克服以上问题，本发明提供了一种基于石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失性存储器及方法，采用有机薄膜和石墨烯薄膜结合来制备柔性器件。
为了达到上述目的，基于石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失存储器，其外部连接有读出电路，该存储器包括：衬底，位于所述衬底上的栅极，位于所述栅极上的介质层，位于所述介质层上的石墨烯，位于所述石墨烯上的掺杂有机薄膜，位于所述掺杂有机薄膜两侧的源漏极；所述源漏极连接所述读出电路，所述栅极和所述源漏极连接有擦除电路，且所述栅极接地。
优选地，所述存储器进行写入数据的条件为：当所述存储器写入信息1时，所述栅极接地，紫外光入射到所述有机薄膜上，有机薄膜产生电子空穴对，电子被束缚在所述掺杂有机薄膜的杂质所产生的缺陷态中，而空穴经过隧穿到达所述石墨烯的价带中，此时所述信息1写入所述存储器中，当撤去所述紫外光时，所述信息1仍保留在所存入的所述存储器中；当所述存储器写入信息0时，所述栅极接地，无紫外光入射，此时，所述掺杂有机薄膜保持高电阻。
优选地，所述读出电路的读出数据条件为：在无紫外光照射时，所述栅极接地，所述源漏极所连接的所述读出电路上所施加的偏置电压为负偏置电压。
优选地，所述擦除电路进行擦除的条件为：所述栅极上施加脉冲电压，所述有机薄膜中所述杂质所束缚的电子与所述石墨烯的价带中的空穴进行复合，所述存储器回到初始状态，可再次写入数据和读出数据。
优选地，所述掺杂有机薄膜只吸收紫外光，且所述掺杂有机薄膜中的杂质含量为4％～6％。
优选地，所述掺杂有机薄膜为C5-BTBT。
优选地，所述衬底为柔性衬底，所述栅极为柔性导电层。
优选地，所述石墨烯为单层或双层。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种上述的基于石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失存储器的制备方法，其包括：
步骤01：提供一衬底，并且在所述衬底上形成栅极；
步骤02：在所述栅极上形成所述介质层；
步骤03：将石墨烯转移到所述介质层上，并且，利用光学显微镜找到所述石墨烯，利用拉曼光谱确定所述所述石墨烯的层数和均匀度；
步骤04：在所述石墨烯上旋涂所述掺杂有机薄膜，并且将所述掺杂有机薄膜在真空中干燥；
步骤05：在所述掺杂有机薄膜两侧沉积金属，从而形成所述源漏极。
优选地，所述步骤04中，旋涂所述有机薄膜时采用的转速为2000～3000rmp，旋涂时间为60～120s，并且在真空中干燥的时间为20～40min。
本发明的基于石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失性存储器及方法，采用单层石墨烯和掺杂有机薄膜作为吸收紫外光材料，将信息存储在石墨烯和掺杂有机薄膜中。掺杂有机薄膜和石墨烯可以集成在硅衬底上，也可以在柔性衬底上。采用掺杂有机薄膜吸收紫外光，掺杂有机薄膜中的杂质束缚电子，被束缚的电子与石墨烯中的空穴很好的被隔离，从而缩短数据写入时间、提高灵敏度，以及器件集成柔性化。石墨烯薄膜是一种目前迁移率较高的一种二维半导体材料，且可弯曲，透光性好，石墨烯作为高迁移率材料，可以大大提高光感应的灵敏度和大大缩短数据写入时间，本发明为提高写入速度、器件的柔性化以及小型化提供了一种方案。
附图说明
图1为本发明的一个较佳实施例的基于石墨烯和掺杂有机薄膜复合结构的光触发非易失性存储器的结构示意图
图2为本发明的一个较佳实施例的掺杂有机薄膜和石墨烯在光照下空穴转移示意图
图3为本发明的一个较佳实施例的基于石墨烯和掺杂有机薄膜复合结构的光触发非易失性存储器的制备方法的流程示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
本发明中，基于石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失存储器，其外部连接有读出电路，包括：衬底，位于衬底上的栅极层，位于栅极上的介质层，位于介质层上的石墨烯，位于石墨烯上的掺杂有机薄膜，位于掺杂有机薄膜两侧的源漏极；源漏极连接读出电路，栅极和源漏极连接有擦除电路，且栅极接地。
本发明中，由石墨烯和掺杂有机薄膜作为存储介质，紫外光作为数据存储触发源，有别于利用电压作为触发源的传统存储器。衬底可以为硅衬底，也可以为柔性衬底，以实现存储器的柔性集成。石墨烯可以为单层也可以为双层。栅极可以布满整个衬底构成栅极层，也可以只位于衬底上的某个区域。例如，衬底为硅衬底，栅极为硅衬底表面进行离子注入的区域；或者，衬底为柔性衬底，栅极为柔性导电层。
以下结合附图1-3和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
请参阅图1，本实施例中，基于石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失存储器，其外部连接有读出电路18，包括：硅衬底11，位于硅衬底11上的N型掺杂栅极12，位于N型掺杂栅极12上的SiO2介质层13，也即是栅氧层，位于介质层13上的单层石墨烯14，位于单层石墨烯14上的掺杂有机薄膜15，位于掺杂有机薄膜15两侧的源漏极16；源漏极16连接读出电路，读出电路具有读出电路加压处18，栅极12和源漏极16连接有擦除电路，擦除电路具有擦除电路加压处17，且栅极12接地；存储器还包括光学窗口，用于使光线透过进入到掺杂有机薄膜上。这里，硅衬底11和N型掺杂栅极12的厚度可以为210nm，源漏极16的材料为金，源漏极16的厚度可以为100nm；掺杂有机薄膜15只吸收紫外光，且掺杂有机薄膜15中的杂质含量可以但不限于为4％～6％，较佳的，为5％；掺杂有机薄膜15可以但不限于为C5-BTBT，全称为2,7-二苯基[1]苯并噻吩并[3,2-b][1]苯并噻吩(2,7-dipentyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene)；掺杂有机薄膜15吸收紫外光波段约为280～370nm；掺杂有机薄膜15吸收紫外光产生的光生载流子(主要为空穴)通过隧穿到石墨烯价带中，而掺杂有机薄膜中的杂质可以在掺杂有机薄膜中形成缺陷态，掺杂有机薄膜15吸收紫外光后产生的光电子束缚在杂质产生的缺陷态能级中。这里，单层石墨烯14为单层碳原子构成的一种迁移率非常高的二维半导体材料，迁移率常温常压下为60000cm2V-1·s-1。单层石墨烯通过机械剥离或者CVD方法获得。掺杂有机薄膜中的杂质和石墨烯的组合，可以隔离紫外光触发产生的电子和空穴，阻止电子空穴对的复合，增加电子空穴对的寿命，增加数据稳定性即非易失性；另一方面，对电子空穴对的隔离，可以使得电子空穴对数量快速达到饱和，提高数据写入速度。
其中，存储器进行写入数据的条件为：当存储器写入信息1时，栅极接地，请参阅图2，紫外光入射到掺杂有机薄膜15上，例如，紫外光垂直入射到掺杂有机薄膜上，掺杂有机薄膜15产生电子空穴对，电子被束缚在掺杂有机薄膜15的杂质所产生的缺陷态中，而空穴经过隧穿到达石墨烯14的价带中，此时信息1写入存储器中，当撤去紫外光时，信息1仍保留在所存入的存储器中；当存储器写入信息0时，栅极接地，无紫外光入射，此时，掺杂有机薄膜保持高电阻。
读出电路的读出数据条件为：在无紫外光照射时，栅极接地，源漏极所连接的读出电路上所施加的偏置电压为负偏置电压，如果输出的电阻为低电阻大电流，则输出的为信息1，如果输出的电阻为高电阻无电流，则输出的为信息0。
擦除电路进行擦除的条件为：栅极上施加脉冲电压，例如脉冲电压为负压60V，脉冲间隔为1μs，掺杂有机薄膜中杂质所束缚的电子与石墨烯的价带的空穴进行复合，存储器回到初始状态，初始状态为高阻状态，可再次写入数据和读出数据。
请参阅图3，以下以上述实施例中的基于石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失存储器的制备方法为例进行说明，但这不用于限制本发明的范围；本实例中，基于石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失存储器的制备方法包括：
步骤01：提供一衬底，并且在该衬底上形成栅极；
这里，衬底采用硅衬底；栅极可以为N型掺杂的栅极；栅极材料可以为多晶硅。在本发明其它实施例中，衬底为柔性衬底，柔性衬底上制备柔性导电层作为栅极；
步骤02：在栅极上形成介质层；
具体的，介质层可以为SiO2；可以但不限于采用化学气相沉积法来制备介质层。
步骤03：将石墨烯转移到介质层上，并且，利用光学显微镜找到石墨烯，利用拉曼光谱确定石墨烯的层数和均匀度；
具体的，单层石墨烯通过机械剥离或者CVD方法获得；或者采用更为接近量化技术的CVD方法获得单层石墨烯。石墨烯的层数和均匀度可以通过拉曼光谱检测来确定。
步骤04：在石墨烯上旋涂掺杂有机薄膜，并且将掺杂有机薄膜在真空中干燥；
具体的，可以采用但不限于匀胶机进行旋涂掺杂有机薄膜，旋涂转速为2000～3000rpm，旋涂时间为60～120s，在真空中干燥20～40min；较佳的，旋涂转速为2000rpm，旋涂时间为120s，在真空中干燥30min。
步骤05：在掺杂有机薄膜两侧沉积金属，从而形成源漏极。
具体的，可以但不限于篜镀工艺来沉积金属金，金的厚度为100nm。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失存储器，其外部连接有读出电路，其特征在于，包括：衬底，位于所述衬底上的栅极，位于所述栅极上的介质层，位于所述介质层上的石墨烯，位于所述石墨烯上的掺杂有机薄膜，位于所述掺杂有机薄膜两侧的源漏极；所述源漏极连接所述读出电路，所述栅极和所述源漏极连接有擦除电路，且所述栅极接地。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失存储器，其特征在于，所述存储器进行写入数据的条件为：当所述存储器写入信息1时，所述栅极接地，紫外光入射到所述有机薄膜上，有机薄膜产生电子空穴对，电子被束缚在所述掺杂有机薄膜的杂质所产生的缺陷态中，而空穴经过隧穿到达所述石墨烯的价带中，此时所述信息1写入所述存储器中，当撤去所述紫外光时，所述信息1仍保留在所存入的所述存储器中；当所述存储器写入信息0时，所述栅极接地，无紫外光入射，此时，所述掺杂有机薄膜保持高电阻。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失存储器，其特征在于，所述读出电路的读出数据条件为：在无紫外光照射时，所述栅极接地，所述源漏极所连接的所述读出电路上所施加的偏置电压为负偏置电压。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失存储器，其特征在于，所述擦除电路进行擦除的条件为：所述栅极上施加脉冲电压，所述有机薄膜中杂质所束缚的电子与所述石墨烯的价带中的空穴进行复合，所述存储器回到初始状态，可再次写入数据和读出数据。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失存储器，其特征在于，所述掺杂有机薄膜只吸收紫外光，且所述掺杂有机薄膜中的杂质含量为4％～6％。
6.根据权利要求5所述的基于石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失存储器，其特征在于，所述掺杂有机薄膜为C5-BTBT。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的基于石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失存储器，其特征在于，所述衬底为柔性衬底，所述栅极为柔性导电层。
8.根据权利要求1-6任意一项所述的基于石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失存储器，其特征在于，所述石墨烯为单层或双层。
9.一种权利要求1所述的基于石墨烯和有机薄膜复合结构的光触发非易失存储器的制备方法，其特征在于，包括：
步骤01：提供一衬底，并且在所述衬底上形成栅极；
步骤02：在所述栅极上形成所述介质层；
步骤03：将石墨烯转移到所述介质层上，并且，利用光学显微镜找到所述石墨烯，利用拉曼光谱确定所述所述石墨烯的层数和均匀度；
步骤04：在所述石墨烯上旋涂所述掺杂有机薄膜，并且将所述掺杂有机薄膜在真空中干燥；
步骤05：在所述掺杂有机薄膜两侧沉积金属，从而形成所述源漏极。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤04中，旋涂所述有机薄膜时采用的转速为2000～3000rmp，旋涂时间为60～120s，并且在真空中干燥的时间为20～40min。
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