CN108649031A - 基于自整流特性材料的二维超快准非易失存储器及其制备方法 - Google Patents

基于自整流特性材料的二维超快准非易失存储器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于存储器技术领域，具体为一种基于自整流特性材料的二维超快准非易失存储器及其制备方法。本发明利用具有自整流特性的材料替代传统闪存（Flash）的沟道与隧穿层，通过此材料的开关特性，取代传统电荷的隧穿机制实现超快写入与准非易失存储。本发明制备，包括先在衬底上利用机械剥离或者化学气相沉积获得作为电荷存储层的二维材料，然后利用分子束外延生长自整流特性材料CrX3作为器件沟道以及开关。本发明可以制备具有超快写入能力以及准非易失特性的新型存储器，弥补了动态随机存储器与闪存存储器之间的数据存储时间跨度，在未来存储器领域具有巨大的应用前景。

Description

基于自整流特性材料的二维超快准非易失存储器及其制备 方法
技术领域
本发明属于存储器技术领域，具体涉及一种二维准非易失存储器及其制备方法。
背景技术
半导体存储器是现代信息技术中重要的信息记忆设备。按照其保存数据时间的长短，大体上可分为易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器的特点为写入速度快，数据保持时间短，断电数据丢失。典型的易失性存储器有静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM），虽然速度写入速度很快（纳秒量级），但数据仅能保持毫秒量级的时间。非易失性存储器（如闪存存储器，Flash）的特点为数据保持时间久（通常大于10年），但是写入速度相对较慢（目前最快的闪存存储器写入速度也在微秒量级）。所以在目前的易失性存储器和非易失性存储器存在很大的空间，亟需一种写入速度快而且数据保持时间相对较长的新型存储器。
另一方面，随着半导体技术的发展，半导体器件的特征尺寸越来越小，目前器件尺寸已经缩小到14nm。随着尺寸的不断缩小，越来越多的难题开始出现，比如说难以克服的短沟道效应，会很大程度上降低硅基器件的性能。所以，迫切需要一种能取代硅的半导体材料。自石墨烯被发现开始，二维材料受到越来越多的关注，由于其优异的性能（丰富的能带结构，表面无悬挂键，高迁移率，可达到原子层厚度级别等），被认为很有潜力取代硅成为下一代革命性的半导体材料。
虽然半浮栅晶体管也具有超快写入的特点，但是其在结构上较为复杂。在本发明中，仅用两种材料实现超快写入与存储性能，结构上大幅度简化。而且采用二维材料，器件具有进一步微缩的潜力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、基于自整流特性材料的二维超快准非易失存储器及其制备方法。
本发明提供的基于自整流特性材料的二维超快准非易失存储器，包括：
一带有氧化绝缘层的高掺杂硅衬底；
衬底上制备的第一层二维材料薄膜；
在第一层二维材料上生长的第二层二维自整流特性材料；
第二层二维自整流特性材料上生长的有一定图形的金属电极。
本发明中，采用二维自整流特性材料作为开关，另一二维材料作为电荷存储层，实现超快速度的写入数据以及实现准非易失性能（数据可保持在百秒量级）。
本发明中，所述氧化绝缘层厚度为30至40纳米，材料可以为氧化铝或氧化铪等。
本发明中，所述第一层二维材料可以为石墨烯，或者其他二维材料。
本发明中，所述二维自整流特性材料为CrX3材料，厚度不宜超出10纳米。
本发明中，所述金属电极材料为常见的Au、Cr或Pt等。
本发明提供的基于自整流特性材料的二维超快准非易失存储器的制备方法，具体步骤为：
（1）在预先准备好的衬底上制备第一层二维材料薄膜；
所述衬底为：带有30至40纳米厚度氧化绝缘层的高掺杂硅衬底；氧化
绝缘层可以为氧化铝或氧化铪等；
所述二维材料薄膜可以通过两种方法制备。一种是通过在块状材料上机械剥离的方法直接获取；另一种是通过化学气相沉积生长大面积并可控层数的薄膜；
所述二维材料可以为石墨烯或者其他二维材料；
（2）在第一层二维材料上生长第二层二维自整流特性材料；
优选为，所述二维自整流特性材料为CrX3材料；
优选为，所述二维自整流特性材料的生长工艺为分子束外延；
优选为，所述二维自整流特性材料的厚度不宜超出10纳米；
（3）在生长了第二层二维自整流特性材料的样品上形成一定图形的金属电极，具体方法包括：采用光刻工艺在样品上将光刻胶曝光成所需的电极图形；然后在样品上通过金属淀积方法形成电极。
优选为，所述光刻工艺采用紫外光刻或者电子束光刻工艺。
优选为，所述金属淀积方法可以使用物理气相沉积法或电子束蒸发法。
优选为，所述金属为常见的Au、Cr、Pt等。
本发明效果：
根据本发明，采用一种二维自整流特性材料作为器件开关，超过传统闪存隧穿机制的限制，可以大幅度提高数据写入速度。同时，存储于电荷存储层的电荷在开关关断时以反向关断电流的速度流失，所以电荷可以保持数百秒的时间。相比DRAM等随机存储器，数据保持时间呈指数倍增加。
即，本发明实现了超快速度的数据写入与较长数据保持时间的结合，在未来的数据存储领域具有很大的应用前景。
附图说明
图1是制备了第一层二维材料后的示意图。
图2是生长了第二层自整流特性材料后的示意图。
图3是淀积金属后的示意图。
图4是制备基于自整流特性材料的二维超快准非易失存储器的流程图。
具体实施方式
下面为详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的材料或具有相同或类似功能的方法。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的材料和方法进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。
以下，根据所附附图针对本发明所涉及的基于自整流特性材料的二维超快准非易失存储器的制备方式举例进行说明。
根据本发明的一个实施例，提供了一种基于自整流特性材料的二维超快准非易失存储器的制备方法。
在图1中示出了制备了第一层二维材料后的结构，包括衬底1001、位于衬底之上的作为电荷存储层的二维材料1002。
在图2中，示出了在样品表面生长第二层二维自整流特性材料作为器件开关的示意图，包括衬底1001、位于衬底至上的第一层作为电荷存储层的二维材料1002，以及第二层二维自整流特性材料1003。
在图3中，示出了淀积完金属电极后的结构示意图，包括衬底1001、位于衬底之上第一层作为电荷存储层的二维材料1002、第二层二维自整流特性材料1003，以及金属电极1004。
以下按照制造基于自整流特性材料的二维超快准非易失存储器的各步骤，结合图1至3，针对具体的一例进行说明。
首先，在步骤S11中，将具有30至40纳米厚度氧化绝缘层的高掺杂硅衬底放入丙酮溶液中，浸泡两分钟，然后用异丙醇去除残留的丙酮并用氮气枪吹干。然后再在干净的衬底上通过机械剥离或者化学气相沉积制备第一层二维材料作为电荷存储层。作为具体的一例，如图1所示，本实例中选用具有30纳米厚度的氧化铝绝缘层的高掺硅硅衬底作为衬底1001，在衬底1001上转移一层一定厚度的石墨烯（也可以是其他二维材料）1002作为电荷存储层。但是，本发明不限定于此，衬底上氧化绝缘层的厚度可根据需要进行调整。优选为，30至40纳米厚度的氧化绝缘层。
接下来，在步骤S12中，生长二维自整流特性材料1003。
本实例中采用分子束外延的方法生长二维自整流特性材料1003。但是，本发明不限定于此，也可以采用化学气相沉积或者机械剥离等方法获取二维自整流特性材料。
最后，在步骤S13中，通过光刻定义电极图案，并淀积一层金属。本实例中，通过电子束光刻技术，曝光、显影，在样品上得到含有金属图案的光刻胶。最后沉积一层金属，形成金属电极1004。金属电极可以为Au、Cr、Ag、Pt等，可根据器件要求选择电极。沉积金属电极的方法，包括使用物理气相沉积、电子束蒸发、或者磁控溅射等沉积金属薄膜。优选为，通过电子束蒸发沉积一层金的薄膜。利用丙酮去除光刻胶后，剩下的金属图形便是所需的电极。
根据本发明可制备基于自整流特性材料的二维超快准非易失存储器，从而实现高性能的新型存储器。
以上，针对本发明的基于自整流特性材料的二维超快准非易失存储器制备方法进行了详细地说明，但本发明不限于以上的例子，在不脱离本发明的要旨的范围中，当然也可以进行各种的改良、变形。

Claims (10)

1.一种基于自整流特性材料的二维超快准非易失存储器，其特征在于，包括：
一带有氧化绝缘层的高掺杂硅衬底；
衬底上制备的第一层二维材料薄膜；
在第一层二维材料上生长的第二层二维自整流特性材料；
第二层二维自整流特性材料上生长的有一定图形的金属电极。
2.根据权利要求1所述的二维超快准非易失存储器，其特征在于，所述氧化绝缘层厚度为30至40纳米，材料为氧化铝或氧化铪。
3.根据权利要求1或2所述的二维超快准非易失存储器，其特征在于，所述第一层二维材料为石墨烯，或者其他二维材料。
4.根据权利要求3所述的二维超快准非易失存储器，其特征在于，所述二维自整流特性材料为CrX3材料，厚度超出10纳米。
5.根据权利要求1、2或4所述的二维超快准非易失存储器，其特征在于，所述金属电极材料为Au、Cr或Pt。
6.如权利要求1-5之一所述的二维超快准非易失存储器的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）在制备好的带有氧化绝缘层的高掺杂硅衬底上制备第一层二维材料薄膜；
（2）在第一层二维材料上生长第二层二维自整流特性材料；
（3）在生长了第二层二维自整流特性材料的样品制备一定图形的金属电极，方法为：采用光刻工艺在样品上将光刻胶曝光成所需的电极图形；然后在样品上淀积金属形成电极。
7.根据权利要求6所述的二维超快准非易失存储器的制备方法，其特征在于，步骤（1）中制备第一层二维材料薄膜的方法为：通过在块状材料上机械剥离的方法直接获取；或者通过化学气相沉积生长大面积并可控层数的薄膜。
8.根据权利要求6所述的二维超快准非易失存储器的制备方法，其特征在于，步骤（2）中生长第二层二维自整流特性材料采用分子束外延工艺。
9.根据权利要求6所述的二维超快准非易失存储器的制备方法，其特征在于，步骤（3）中制备一定图形的金属电极的方法为：采用光刻工艺在样品上将光刻胶曝光成所需的电极图形；然后在样品上通过金属淀积方法形成电极。
10.根据权利要求9所述的二维超快准非易失存储器的制备方法，其特征在于，所述光刻工艺采用紫外光刻或者电子束光刻工艺；所述金属淀积方法为物理气相沉积法或电子束蒸发法。
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