CN108878429A - 一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元及其制备 - Google Patents

一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元及其制备 Download PDF

Info

Publication number
CN108878429A
CN108878429A CN201810684212.4A CN201810684212A CN108878429A CN 108878429 A CN108878429 A CN 108878429A CN 201810684212 A CN201810684212 A CN 201810684212A CN 108878429 A CN108878429 A CN 108878429A
Authority
CN
China
Prior art keywords
superlattices
multilayer
memory cell
organic
organic ferroelectric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810684212.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108878429B (zh
Inventor
汤乃云
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai University of Electric Power
University of Shanghai for Science and Technology
Original Assignee
Shanghai University of Electric Power
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai University of Electric Power filed Critical Shanghai University of Electric Power
Priority to CN201810684212.4A priority Critical patent/CN108878429B/zh
Publication of CN108878429A publication Critical patent/CN108878429A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108878429B publication Critical patent/CN108878429B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B53/00—Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory capacitors
    • H10B53/30—Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory capacitors characterised by the memory core region
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B53/00—Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory capacitors

Landscapes

  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

本发明涉及一种二维材料‑有机铁电材料超晶格存储器单元及其制备，其制备方法具体为：a)取由衬底(1)、介质层(2)和多层二维材料(31)复合而成的器件结构浸入到含有机铁电材料(32)的电解质溶液中；b)在多层二维材料(31)上制作三电极体系并施加负电压，使得带正电荷的有机离子被嵌入到多层二维材料中，形成超晶格(3)；c)再在超晶格(3)两端设置金属电极，即完成。与现有技术相比，本发明采用一种电化学有机分子插层法，构建一类二维材料和有机铁电分子材料相互交替的稳定超晶格材料。超晶格内铁电材料形成的电容是处于并联状态，提高了存储单元的电容量和集成密度，同时具有稳定性好、操作电压低、功耗小及成本低等特点。

Description

一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元及其制备
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，尤其是涉及一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元及其制备。
背景技术
铁电存储器是一种的非易失性的存储器，在掉电后仍能继续保存数据，写入速度快且具有无限次写入寿命。传统的铁电存储单元是以“平面方式”由下而上堆栈，在第一电极上形成铁电薄膜，并且在铁电薄膜上形成第二电极。此种铁电存储单元为了维持足够的电容量，必须提供足够的平面面积，以保持储存资料的长久性。因此，为了实现铁电存储器的存储密度，需要增加铁电存储单元的集成密度，或者实现在单个存储单元中多位数据存储。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元及其制备，采用一种电化学分子插层技术，开发一类二维材料和铁电材料相互交替的稳定超晶格材料。超晶格内铁电材料形成的电容是处于并联状态，提高了存储单元的电容量和集成密度，同时具有稳定性好、操作电压低、功耗小及成本低等特点。
二维纳米材料是新一代高性能纳米材料，是国际前沿研究的核心材料之一。以单层MoS2为例，其电子迁移率在室温下可以达到200cm2/Vs，开关比高达1×108。同时，在获得同样效果的电子运动时，MoS2比Si更轻薄。在稳定状态下耗能比Si晶体管小十万倍。使用MoS2制成的存储器件具有优异的存储性能。同时基于MoS2的柔性特征，可以实现大面积柔性集成电路所需要的柔性存储，此外，它具有良好的机械特性、高的载流子迁移率，有利于器件电学性能的提高。
本发明采用一种电化学分子插层技术，开发一类二维材料和铁电材料相互交替的稳定超晶格材料。超晶格内铁电材料形成的电容是并联状态，提高了存储单元的电容量和集成密度，同时具有稳定性好、操作电压低、功耗小及成本低等特点。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提出了一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元，至少包括衬底、生长在衬底上的介质层，复合在介质层上的超晶格，所述超晶格由多层二维材料和插入多层二维材料的各单层之间的有机铁电材料组成，所述超晶格的两端分别生长有金属电极。
进一步的，所述的衬底的材料为多晶硅、超薄玻璃、高分子聚合物或金属箔片等，也可以为柔性衬底。
进一步的，所述的介质层为二氧化硅，BaTiO3，也可以为有机材料或透明塑料等柔性介质。
进一步的，所述的介质层的厚度为20-150nm。
进一步的，所述的多层二维材料为厚度1nm以上的黑磷、二硫化钨、二硫化钼、二碲化钼、二硒化钨、硒化铟、硒化锡或硫化锗等，也可以是其他二维半导体材料，主要通过转移或者化学气相沉积方法覆盖在介质层上。
进一步的，所述的有机铁电材料为聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物、聚三氟乙烯或聚氨酯，也可以是其它聚三氟乙烯，聚氨酯等有机铁电分子。
进一步的，所述的金属电极的材料为金、银、铝或钛，其厚度为10-200nm。
本发明通过将不同类型的具有各种尺寸和对称性有机铁电分子插入到一系列二维材料中，可以创建一大类超晶格材料。通过改变插入的分子类型，可以实现对这些新型超晶格结构和组成的调整，从而实现各种不同性能的存储器单元。同时，因铁电有机分子材料和二维材料形成超晶格结构，铁电材料形成的电容是并联状态，提高了存储单元的电容量和集成密度，操作电压低，功耗小。同时，铁电有机分子材料和二维材料形成超晶格结构可用作存储领域，能够实现大面积柔性集成电路需要的柔性存储，它具有良好的机械特性、高的载流子迁移率，有利于器件电学性能的提高。相对于硅基存储器件而言，柔性存储器件在更广泛的领域内可以满足许多特殊的需求，例如柔性显示、智能交互以及柔性生物电子等。
本发明的目的之二在于提出了上述目的一中的二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元的制备方法，包括以下步骤：
a)取由衬底、介质层和多层二维材料复合而成的器件结构浸入到含有机铁电材料的电解质溶液中；
b)在多层二维材料上制作工作电极、位于多层二维材料上方的电解质溶液中制作对电极和参比电极，再在多层二维材料上施加负电压，使得带正电荷的有机离子被吸引到多层二维材料中，并被插入到二维材料的原子层之间，形成所述超晶格；
c)再在超晶格两端设置金属电极，即完成。
进一步的，步骤b)中，所述的对电极的材料为铂，所述的参比电极为银/氯化银。
进一步的，步骤b)中，施加的电压范围为3-10V。
本发明在多层二维材料层上采用电化学分子插层方法插入有机铁电分子，插入二维材料之单层和有机铁电分子层相互交替，形成超晶格结构。当栅极加电压后，外加电场导致铁电材料极化，信息被存储。栅压去除后，铁电材料的极化电荷仍然存在，当在两个金属电极加电压后，存储信息被读出，形成电流。该存储器件单元工艺简单，存在多层存储介质，极化电场大，在存储领域具有潜在的应用价值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)铁电材料形成的电容是并联状态，提高了存储单元的电容量和集成密度，操作电压低，功耗小。
(2)具有良好的机械特性、高的载流子迁移率，相对于硅基存储器件而言，柔性存储器件在更广泛的领域内可以满足许多特殊的需求，例如柔性显示、智能交互以及柔性生物电子等。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为超晶格的结构示意图。
图中，1-衬底，2-介质层，3-超晶格，31-多层二维材料，32-有机铁电材料，4-金属电极A，5-金属电极B。
具体实施方式
下文结合特定实例说明的实施方式，此处的实施例及各种特征和有关细节将参考附图中图示以及以下描述中详述的非限制性实施例而进行更完整的解释。省略众所周知的部件和处理技术的描述，以免不必要的使此处的实施例难以理解。在制作所述结构时，可以使用半导体工艺中众所周知的传统工艺。此处使用的示例仅仅是为了帮助理解此处的实施例可以被实施的方式，以及进一步使得本领域技术人员能够实施此处的实施例。因而，不应将此处的示例理解为限制此处的实施例的范围。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元，其结构参见图1所示，包括衬底1、生长在衬底1上的介质层2，复合在介质层2上的超晶格3，超晶格3由多层二维材料31和插入多层二维材料31的各单层之间的有机铁电材料32组成，超晶格结构如图2所示，超晶格3的两端分别生长有金属电极，分别为金属电极A4和金属电极B 5。
上述超晶格存储器单元的制备方法如下：
首先，采用多晶硅为衬底1，在衬底1上生长一层二氧化硅层(即为介质层2)，厚度为50nm。
然后，采用机械剥离法制备一层二硫化钼，厚度为2nm，通过转移技术转移在上述二氧化硅层上。
接着，将多晶硅衬底1、二氧化硅介质层2和多层二硫化钼组成的器件结构浸入到具有铁电性能的聚偏氟乙烯的电解质溶液中。
随后，在二硫化钼上制作工作电极，并在电解质溶液中制作对电极和参比电极。对电极材料为铂，参比电极为银/氯化银。
随之，在工作电极上施加负电压，电压为4V。聚偏氟乙烯的正离子基团被吸引到二硫化钼中，并被插入到二硫化钼各单层之间。二硫化钼的多层结构变成单层结构。二硫化钼的各单层和有机铁电层形成超晶格。
之后，将器件结构从电化学溶液中取出并清洗。
最后，再由磁控溅射方法淀积一层200nm厚的金铬膜，然后通过剥离工艺形成两个金电极，即金属电极A4和金属电极B 5。
实施例2
一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元，其结构与实施例1中相同，除了制备方法改为：
首先，采用高分子聚合物为衬底1，并清洗衬底1。
然后，在高分子聚合物上淀积一层高介电常数的KDP(磷酸二氢钾)介质层2，介质层2厚度为60nm。
之后，在KDP介质层2上采用CVD法(化学气相沉积法)直接生长一层多层二碲化钼，厚度为2nm。通过转移技术转移到KDP介质层2上。
之后，将衬底1、KDP介质层2和二碲化钼组成的器件结构浸入到具有铁电性质的聚偏氟乙烯-三氯乙烯二元共聚物(PVDF-TrEE)的电解质溶液中。
随后，二碲化钼上制作工作电极，并在电解质溶液中制作对电极和参比电极。对电极材料为铂，参比电极为银/氯化银。
随之，在工作电极上施加负电压，电压为7V。二元共聚物的正离子基团被吸引到二碲化钼中，并被插入到二碲化钼的各单层之间。二碲化钼的各单层和有机铁电分子层形成超晶格结构。
之后，将器件结构从电化学溶液中取出并清洗。
再由电子束蒸发的方法淀积一层100nm厚的金属铝膜，然后通过剥离工艺制成金属形成两个金属电极。
此实施例中，所用材料均为柔性材料，实施例可用于柔性存储应用中。
实施例3
一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元，其结构与实施例1中相同，除了制备方法改为：
首先，采用超薄玻璃为衬底材料，并清洗衬底1。
然后，在超薄玻璃衬底上淀积一层高介电常数的BaTiO3介质层2，介质层2厚度为40nm。
然后，采用化学液相合成法制备一层多层二维材料二硫化钨，厚度为3nm。通过转移技术转移在BaTiO3层上。
之后，将超薄玻璃、BaTiO3介质层和二硫化钨组成的器件结构浸入到含有铁电性质的聚氨酯的电解质溶液中。
随后，在二硫化钨上制作工作电极，并在电解质溶液中制作对电极和参比电极。对电极材料为铂，参比电极为银/氯化银。
随之，在工作电极上施加负电压，电压为10V。聚氨酯的正离子基团被吸引到二硫化钨中，并被插入到二硫化钨的各单层之间。WS2的各单层和二元聚合物层形成超晶格结构。
之后，将器件结构从电化学溶液中取出并清洗。
再由热蒸发的方法淀积一层100nm厚的金属钛膜，然后通过剥离工艺制成金属形成两个金属电极。
实施例4-8
与实施例1有所不同的是，本实施例中多层二维材料分别替换为黑磷、二硒化钨、硒化铟、硒化锡或硫化锗。
实施例9
与实施例1有所不同的是，本实施例中衬底材料改为选用金属箔片。电极为银金属材料，厚度为10nm。
实施例10
与实施例1有所不同的是，本实施例中有机铁电材料32改为选用聚三氟乙烯。电极为铝金属材料，厚度为200nm。
实施例11
与实施例1有所不同的是，本实施例中在工作电极上施加的负电压为3V。
实施例12
与实施例1有所不同的是，本实施例中介质层2的厚度为20nm。电极为钛金属材料，厚度为100nm。
实施例13
与实施例1有所不同的是，本实施例中介质层2的厚度为150nm。
上述各实施例中制得的存储器单元均带有铁电材料和二维材料形成的超晶格结构，且与同制备条件下的未嵌入有机铁电材料的常规存储器单元而言，本发明上述各实施例的电容和集成密度明显提高，操作电压低，功耗小。同时，由于有机铁电材料和二维材料具有可弯曲、易折叠的特性，因此可以实现大面积柔性集成电路所需要的柔性存储，此外，它具有良好的机械特性、高的载流子迁移率，有利于器件电学性能的提高。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元，其特征在于，至少包括衬底(1)、生长在衬底(1)上的介质层(2)，复合在介质层(2)上的超晶格(3)，所述超晶格由多层二维材料(31)和插入多层二维材料(31)的各单层之间的有机铁电材料(32)组成，所述超晶格(3)的两端分别生长有金属电极。
2.根据权利要求1所述的一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元，其特征在于，所述的衬底(1)的材料为多晶硅、超薄玻璃、高分子聚合物或金属箔片。
3.根据权利要求1所述的一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元，其特征在于，所述的介质层(2)为二氧化硅、BaTiO3、有机材料或透明塑料。
4.根据权利要求1所述的一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元，其特征在于，所述的介质层(2)的厚度为20-150nm。
5.根据权利要求1所述的一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元，其特征在于，所述的多层二维材料(31)为厚度1nm以上的黑磷、二硫化钨、二硫化钼、二碲化钼、二硒化钨、硒化铟、硒化锡或硫化锗。
6.根据权利要求1所述的一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元，其特征在于，所述的有机铁电材料(32)为聚偏氟乙烯及其共聚物、聚三氟乙烯或聚氨酯。
7.根据权利要求1所述的一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元，其特征在于，所述的金属电极的材料为金、银、铝或钛，其厚度为10-200nm。
8.如权利要求1-7任一所述的二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)取由衬底(1)、介质层(2)和多层二维材料(31)复合而成的器件结构浸入到含有机铁电材料(32)的电解质溶液中；
b)在多层二维材料(31)上制作工作电极、位于多层二维材料(31)上方的电解质溶液中制作对电极和参比电极，再在多层二维材料(31)上施加负电压，使得带正电荷的有机离子被吸引到多层二维材料中，并被插入到二维材料的原子层之间，形成所述超晶格(3)；
c)再在超晶格(3)两端设置金属电极，即完成。
9.根据权利要求8所述的一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元的制备方法，其特征在于，步骤b)中，所述的对电极的材料为铂，所述的参比电极为银/氯化银。
10.根据权利要求8所述的一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元的制备方法，其特征在于，步骤b)中，施加的电压范围为3-10V。
CN201810684212.4A 2018-06-28 2018-06-28 一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元及其制备 Active CN108878429B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810684212.4A CN108878429B (zh) 2018-06-28 2018-06-28 一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元及其制备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810684212.4A CN108878429B (zh) 2018-06-28 2018-06-28 一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元及其制备

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108878429A true CN108878429A (zh) 2018-11-23
CN108878429B CN108878429B (zh) 2020-06-26

Family

ID=64295376

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810684212.4A Active CN108878429B (zh) 2018-06-28 2018-06-28 一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元及其制备

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108878429B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111755447A (zh) * 2020-07-13 2020-10-09 湘潭大学 一种基于多逻辑态的高密度铁电存储单元及其调控方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103848997A (zh) * 2014-01-17 2014-06-11 中国科学院上海技术物理研究所 一种pvdf基有机铁电聚合物超晶格制备方法
CN102569630B (zh) * 2012-03-05 2016-01-06 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种层状无机化合物/有机物插层复合热电材料及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102569630B (zh) * 2012-03-05 2016-01-06 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种层状无机化合物/有机物插层复合热电材料及其制备方法
CN103848997A (zh) * 2014-01-17 2014-06-11 中国科学院上海技术物理研究所 一种pvdf基有机铁电聚合物超晶格制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TACK LEE Y. ET AL: "High-performance a MoS2 Nanosheet-based Nonvolatile Memory Transistor with a Ferroelectric Polymer and Graphene Source-Drain Electrode", 《JOURNAL OF THE KOREAN PHYSICAL SOCIETY》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111755447A (zh) * 2020-07-13 2020-10-09 湘潭大学 一种基于多逻辑态的高密度铁电存储单元及其调控方法
CN111755447B (zh) * 2020-07-13 2023-05-12 湘潭大学 一种基于多逻辑态的高密度铁电存储单元及其调控方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108878429B (zh) 2020-06-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. Two-dimensional materials for next-generation computing technologies
Zhang et al. Memory materials and devices: From concept to application
US9349802B2 (en) Memory devices including two-dimensional material, methods of manufacturing the same, and methods of operating the same
EP2345071B1 (en) Graphene memory cell and fabrication methods thereof
Jeon et al. Selector-free resistive switching memory cell based on BiFeO3 nano-island showing high resistance ratio and nonlinearity factor
US7879678B2 (en) Methods of enhancing performance of field-effect transistors and field-effect transistors made thereby
CN109742079B (zh) 一种具有多值存储能力的各向异性浮栅存储器
CN102282673A (zh) 用于透明电子装置的透明存储器
US9053932B2 (en) Methods of preparing graphene and device including graphene
Liu et al. Ferroelectric memory based on nanostructures
Hou et al. 2D atomic crystals: a promising solution for next‐generation data storage
Zhu et al. Electrospun p-type CuO nanofibers for low-voltage field-effect transistors
Jo et al. Si-based two-terminal resistive switching nonvolatile memory
CN110911560B (zh) 一种平面型忆阻器及其制备方法
CN108878642A (zh) 一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元及其制备
CN102723439A (zh) 基于有机场效应晶体管的存储单元、存储器及其制备方法
CN108878429A (zh) 一种二维材料-有机铁电材料超晶格存储器单元及其制备
CN108899423A (zh) 一种高效的二维超晶格异质结光伏器件及其制备
KR101016440B1 (ko) 저온 공정을 이용한 플래쉬 메모리 소자의 제조 방법 및 플래쉬 메모리 소자
Sun et al. 2D-3D perovskite memristor with low energy consumption and high stability for neural morphology calculation
CN107452810B (zh) 一种金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法
Duan et al. α-In 2 Se 3/MoS 2 ferroelectric tunnel junctions based on van der Waals heterostructures
Bastani et al. Interface-induced negative differential resistance and memristive behavior in Gr/MoSe2 heterostructure
Wang et al. Reconfigurable multifunctional neuromorphic memristor fabricated from two-dimensional ReSe2 ferroelectric nanosheet films
CN116190436B (zh) 一种二维同质结型逻辑反相器及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant