CN109037218A - 光擦除和读取的铁电隧道结存储单元及其擦除和读取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于信息存储技术领域，具体涉及一种光擦除和读取的铁电隧道结存储单元及其擦除和读取方法。包括依次堆叠的衬底、半导体下电极、铁电超薄膜和二维材料半导体上电极，半导体下电极位于衬底和铁电超薄膜之间，铁电超薄膜位于二维材料半导体上电极和半导体下电极之间，铁电超薄膜厚度为0.4nm‑10nm，半导体下电极的厚度为10nm‑80nm，二维材料半导体上电极的厚度为0.1nm‑20nm。本发明解决了现有技术中使用电场和力来进行存储态控制的铁电隧道结,导致电路模块设计复杂，不能达到工业化应用要求的问题。

Description

光擦除和读取的铁电隧道结存储单元及其擦除和读取方法
技术领域
本发明属于信息存储技术领域，具体涉及一种光擦除和读取的铁电隧道结存储单元及其擦除和读取方法。
背景技术
铁电隧道结是一种以铁电超薄膜为势垒层在两面夹以电极的异质结构。2005年Kohlstedt H.(Theoretical current-voltage characteristics of ferroelectrictunnel junctions[J],Phys.Rev.B,2005,72:125341)等提出了铁电隧道结(FTJ)的概念。FTJ概念的提出对铁电超薄膜的应用及理论研究提出了新的挑战。其具有两个最明显的特性是隧穿效应和电阻翻转效应。当前的薄膜制备技术可以使薄膜以原子尺度生长，甚至可以使铁电超薄膜只有几个晶胞的厚度，使FTJ成为现实。
一直以来，铁电隧道结的存储态的擦除都是基于电场(TunnelingElectroresistance Effect in Ferroelectric Tunnel Junctions at the Nanoscale,Nano Lett.,2009,9(10):3539–3543)或者力(Mechanically-Induced ResistiveSwitching in Ferroelectric Tunnel Junctions[J],Nano Lett.,2012,12(12):6289–6292)来实现，读取则是通过电压脉冲的方式来实现的。使用电场擦除和读取，需要复杂的读写电路设计和保护电路设计，甚至只能通过导电探针来进行操作，而电场操控本身也需要极大的电路模块来实现，极大的影响了铁电隧道结存储模块的小型化。使用力来擦除铁电隧道结的存储态虽然能够缩小铁电隧道结存储模块的面积或者体积，但是在微型化电子器件当中，可实现性较小，目前还只能是基于实验室中的压电原子力显微镜的探针擦除来实现该想法，并且还需要额外的电场操作来进行存储态的读取。总之，目前使用电场和力来进行存储态控制的铁电隧道结由于复杂的电路模块设计等原因，还不能达到工业化应用要求。
发明内容
本发明提供一种光擦除和读取的铁电隧道结存储单元及其擦除和读取方法，以解决现有技术中使用电场和力来进行存储态控制的铁电隧道结导致电路模块设计复杂，不能达到工业化应用要求的问题。
第一方面，提供一种光擦除和读取的铁电隧道结存储单元,包括依次堆叠的衬底、半导体下电极、铁电超薄膜和二维材料半导体上电极,其特征在于，所述半导体下电极位于所述衬底和所述铁电超薄膜之间，所述铁电超薄膜位于所述二维材料半导体上电极和所述半导体下电极之间；
所述的铁电超薄膜厚度为0.4nm-10nm，所述半导体下电极的厚度为10nm-80nm，所述二维材料半导体上电极的厚度为0.1nm-20nm；
所述半导体下电极由钌酸锶、掺杂钛酸锶、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶、氧化铟锡中的一种或者几种薄膜叠加构成；
所述二维材料半导体上电极为二硫化钼、硫化锡、硫化锗、硫化钨、硫化镓、硫化镉中的一种或者几种薄膜叠加构成。
作为本发明第一方面的优选方式，所述铁电超薄膜是由锆掺杂氧化铪、钇掺杂氧化铪、硅掺杂氧化铪、铝掺杂氧化铪、钆掺杂氧化铪、钛酸铅、钛酸锆铅、铁酸铋、掺杂铁酸铋、钛酸钡、掺杂钛酸钡、铁酸镥、掺杂铁酸镥、铁酸镓、掺杂铁酸镓中的任意一种材料构成。
作为本发明第一方面的优选方式，所述半导体下电极和所述二维材料半导体上电极的禁带宽度不相等且均小于所述铁电超薄膜的禁带宽度。
作为本发明第一方面的优选方式，所述半导体下电极和所述二维材料半导体上电极不同时为n型半导体且不同时为p型半导体。
第二方面，提供一种光擦除和读取的铁电隧道结存储单元的擦除和读取方法，所述光擦除和读取的铁电隧道结存储单元通过控制光辐照时光子能量和光强来实现存储态的擦除和读取。
作为本发明第二方面的优选方式，所述光擦除和读取的铁电隧道结存储单元存储态擦除时光子能量大于所述半导体下电极和所述二维材料半导体上电极的禁带宽度，且小于所述铁电超薄膜的禁带宽度。
作为本发明第二方面的优选方式，通过控制光辐照时光子能量和光强使所述光擦除和读取的铁电隧道结存储单元中产生隧穿电流，通过读取隧穿电流来实现存储态的读取。
作为本发明第二方面的优选方式，所述读取时光辐照的光子能量介于所述半导体下电极的禁带宽度和所述二维材料半导体上电极的禁带宽度之间。
本发明的有益效果在于：通过对铁电隧道结的结构进行设计，可以实现使用光辐照来实现铁电隧道结存储态的擦除和读取，简化了铁电隧道结应用过程中的复杂电路模块，同时由于光比电场和力的反应速度更加快捷、能耗更低，使铁电隧道结的写-读速度进一步提高，能耗进一步降低。另外，使用光辐照来控制铁电隧道结的擦除、读取可以避免由于电场、力的不稳定使铁电隧道结击穿或者结构受损，提高了数据存储的安全性，而存储电路的简化则对铁电隧道结存储密度的提高有着积极的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的截面结构示意图；
图2为本发明实施例的擦除或读取方式示意图；
图3为本发明实施例的读取测试结果示意图。
其中，11、衬底，12、半导体下电极，13、铁电超薄膜，14、二维材料半导体上电极，15擦除-读取光源。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例公开了一种光擦除和读取的铁电隧道结存储单元，包括依次堆叠的衬底11、半导体下电极12、铁电超薄膜13和二维材料半导体上电极14,半导体下电极12位于衬底11和铁电超薄膜13之间，铁电超薄膜13位于二维材料半导体上电极14和半导体下电极12之间，其中铁电超薄膜13厚度范围可在0.4nm-10nm，半导体下电极12的厚度范围可在10nm-80nm，二维材料半导体上电极14的厚度范围可在0.1nm-20nm。
将铁电超薄膜13的厚度范围控制在0.4nm-10nm范围内，是为保证铁电超薄膜在具有良好铁电性能的前提下，能够读取数据时隧穿电流能够被准确地识别，同时写入/读取时光能够穿过铁电超薄膜作用于半导体下电极；而半导体下电极12的厚度范围控制在10nm-80nm内，除为了保证其具有良好地导电性之外，还为了阻止半导体下电极内部应变的释放，以防止影响铁电超薄膜的铁电性能；二维材料半导体上电极14的厚度范围控制在0.1nm-20nm，是为了保证二维材料半导体上电极的透光性，同时也保证内建电场作用于界面处，而非只作用于二维材料半导体上电极的内部。
并且半导体下电极12和二维材料半导体上电极14不同为n型半导体且不同为p型半导体材料，二者的禁带宽度不同且都小于铁电超薄膜13的禁带宽度。
半导体下电极12的材料可由钌酸锶、掺杂钛酸锶、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶、氧化铟锡中的一种或者几种薄膜叠加构成；二维材料半导体上电极14的材料可由二硫化钼、硫化锡、硫化锗、硫化钨、硫化镓、硫化镉中的一种或者几种薄膜叠加构成；铁电超薄膜13的材料可由锆掺杂氧化铪、钇掺杂氧化铪、硅掺杂氧化铪、铝掺杂氧化铪、钆掺杂氧化铪、钛酸铅、钛酸锆铅、铁酸铋、掺杂铁酸铋、钛酸钡、掺杂钛酸钡、铁酸镥、掺杂铁酸镥、铁酸镓、掺杂铁酸镓中的任意一种材料构成。
半导体下电极12的材料可由钌酸锶、掺杂钛酸锶、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶、氧化铟锡中的一种或者几种薄膜叠加构成，选用这些材料可以保证半导体下电极的导电性能，同时也便于选择禁带宽度合适的铁电超薄膜；二维材料半导体上电极14的材料可由二硫化钼、硫化锡、硫化锗、硫化钨、硫化镓、硫化镉中的一种或者几种薄膜叠加构成，这些二维材料的禁带宽度较为合适，便于选择合适的铁电超薄膜材料；铁电超薄膜13的材料可由锆掺杂氧化铪、钇掺杂氧化铪、硅掺杂氧化铪、铝掺杂氧化铪、钆掺杂氧化铪、钛酸铅、钛酸锆铅、铁酸铋、掺杂铁酸铋、钛酸钡、掺杂钛酸钡、铁酸镥、掺杂铁酸镥、铁酸镓、掺杂铁酸镓中的任意一种材料构成，这些铁电材料铁电性能优良，且易于制备成超薄膜，同时其禁带宽度易于调控。
以MoS2/BaTiO3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3光擦除和读取的铁电隧道结存储单元为实施例一，其实现的主要流程为：
a)将SrTiO3衬底上清洗干净并干燥。
b)用脉冲激光分子束外延沉积技术在SrTiO3衬底上制备30nm厚的La0.66Sr0.33MnO3半导体下电极，构成La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3异质结。
c)用脉冲激光分子束外延沉积技术在La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3异质结上制备4nm厚的BaTiO3铁电超薄膜，构成BaTiO3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3异质结。
d)用化学气相沉积法制备MoS2二维材料半导体上电极，并使用机械剥离或者腐蚀转移的方法，将单层MoS2转移到BaTiO3铁电超薄膜上，构成MoS2/BaTiO3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3，构成铁电隧道结存储单元，其基本单元结构如图1所示。
使用可变波长和强度的光源对MoS2/BaTiO3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3进行擦除读取的操作示意图如图2所示。La0.66Sr0.33MnO3的禁带宽度Eb大约在1.2eV左右，MoS2的禁带宽度Et大约在2.0eV左右，当擦除-读取光源15的光子能量El＝1.7eV介于＝1.2eV和Et＝2.0eV之间的光辐照铁电隧道结存储单元时，La0.66Sr0.33MnO3与BaTiO3的界面处会产生微小电场，由于La0.66Sr0.33MnO3内部产生的电子空穴对会分离，电子发生隧穿现象，隧道结存储单元中会产生隧穿电流，用来读取铁电存储单元的存储状态，当铁电超薄膜13的极化状态不同时，隧穿电流的大小不同。当擦除-读取光源15光子能量El＝2.5eV低于铁电超薄膜13禁带宽度Ef＝3.0eV且高于Eb＝1.2eV和Et＝2.0eV的光辐照铁电隧道结时，铁电隧道结极化方向指向La0.66Sr0.33MnO3电极一侧，使得隧道结中的存储状态擦除，此时用光辐照读取存储态时，得到的是一个存储状态；当使用电场施加在隧道结存储单元的两侧电极时，可以是存储单元极化方向指向MoS2，即写入了新的存储态，此时用光辐照读取存储态时，得到的是另一个存储状态。
图3为MoS2/BaTiO3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3光擦除和读取的铁电隧道结存储单元存储态的读取测试结果，横坐标I为相对光强度，纵坐标Current为隧穿电流的大小。
实施例2
MoS2/BiFeO3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3光擦除和读取的铁电隧道结存储单元实现的主要流程与实施例1相同，不同之处为沉积的铁电超薄膜为3nm厚的BiFeO3超薄膜。
实施例3
MoS2/LuFeO3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3光擦除和读取的铁电隧道结存储单元实现的主要流程与实施例1相同，不同之处为沉积的铁电超薄膜为5nm厚LuFeO3超薄膜。
实施例4
WS/Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3光擦除和读取的铁电隧道结存储单元实现的主要流程与实施例1相同，不同之处为二维材料半导体上电极为单层WS。
实施例5
n-WS/Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/La0.66Sr0.33MnO3/SrTiO3光擦除和读取的铁电隧道结存储单元实现的主要流程与实施例1相同，不同之处为二维材料半导体上电极为WS，且WS为多层(n为多层)，n-WS的总厚度在10nm。
实施例6
n-MoS2/Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/La0.5Sr0.5MnO3/SrTiO3光擦除和读取的铁电隧道结存储单元实现的主要流程与实施例1相同，不同之处为二维材料半导体上电极为多层MoS2(即多层MoS2，厚度为5nm)，且半导体下电极为La0.5Sr0.5MnO3，La0.5Sr0.5MnO3厚度为20nm。
实施例7
n-MoS2/Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/La0.5Sr0.5MnO3/SrTiO3/Si光擦除和读取的铁电隧道结存储单元实现的主要流程与实施例1相同，不同之处为二维材料半导体上电极为多层MoS2(即多层MoS2，厚度为3nm)，且半导体下电极为La0.5Sr0.5MnO3/SrTiO3复合薄膜，衬底为Si，La0.5Sr0.5MnO3厚度为20nm，SrTiO3厚度为5nm。
实施例8
n-WS/n-MoS2/Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/La0.5Sr0.5MnO3/SrTiO3/Si光擦除和读取的铁电隧道结存储单元实现的主要流程与实施例1相同，不同之处为二维材料半导体上电极为多层n-WS/n-MoS2复合薄膜(即多层WS与多层MoS2复合薄膜，多层WS厚度为5nm，多层MoS厚度为5nm)，且半导体下电极为La0.5Sr0.5MnO3/SrTiO3复合薄膜(La0.5Sr0.5MnO3厚度为20nm，SrTiO3厚度为5nm)，衬底为Si。
本发明实施例还提供一种光擦除和读取的铁电隧道结存储单元的擦除和读取方法，具体是通过控制光辐照时光子能量和光强来实现存储态的擦除和读取和读取。
擦除时，光辐照的光子能量大于半导体下电极12和二维材料半导体上电极14的禁带宽度，且小于所述铁电超薄膜13的禁带宽度。
读取时，光辐照的光子能量介于半导体下电极12的禁带宽度和二维材料半导体上电极14的禁带宽度之间。
当光子能量介于半导体下电极12和二维材料半导体上电极14禁带宽度的光辐照铁电存储单元时，半导体下电极12和二维材料半导体上电极14中禁带宽度较小的一侧就会产生界面内建电场，相当于在整个器件单元上施加了一个微小电场，此时可以来读取铁电隧道结的存储状态。半导体下电极12和二维材料半导体上电极14禁带宽度的不同是在读取过程中铁电隧道结上下界面处电势不同，产生隧穿电流的基础，而采用介于用光子能量介于半导体下电极12和二维材料半导体上电极14禁带宽度的光辐照铁电存储单元，可以使得铁电隧道结只有一侧产生附加内建电场，不至于影响铁电隧道结的存储状态。在读取过程中，光使得产生微小电场一侧电极中的电子空穴分离，电子由于微小电场、界面势垒等的共同作用，发生隧穿效应在隧道结存储单元中产生隧穿电流。当使用光子能量高于半导体下电极12和二维材料半导体上电极14禁带宽度，并且低于铁电超薄膜13禁带宽度的光辐照铁电存储单元时，半导体下电极12和二维材料半导体上电极14与铁电超薄膜13的接触界面均会产生界面电场，使铁电超薄膜13极化方向发生翻转，即擦除了存储状态。半导体下电极12与二维材料半导体上电极14的禁带宽度小于铁电超薄膜13的禁带宽度时，可以使用光子能量低于铁电超薄膜13禁带宽度的光来控制铁电超薄膜13的极化状态，而不会在铁电超薄膜13中发生光电效应，使得铁电超薄膜13中产生过多的光生载流子影响铁电超薄膜13的性能。在铁电隧道结存储状态擦除和读取的过程中，通过控制提高光源的强度能够更为有效的擦除存储状态，也能够提高隧穿电流的大小。在该存储单元中重新写入存储状态时，可以使用电场使铁电超薄膜13的极化翻转。使用光辐照来进行铁电隧道结存储态的擦除和读取，能够极大地简化铁电隧道结应用时辅助电路和保护电路模块，同时能够提高铁电隧道结的读写速度，降低铁电隧道结的能耗，由于光辐照的可控性能够提高铁电隧道结中存储数据的安全性，该光擦除和读取的铁电隧道结存储单元能极大地促进铁电隧道结的应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光擦除和读取的铁电隧道结存储单元,包括依次堆叠的衬底、半导体下电极、铁电超薄膜和二维材料半导体上电极,其特征在于，所述半导体下电极位于所述衬底和所述铁电超薄膜之间，所述铁电超薄膜位于所述二维材料半导体上电极和所述半导体下电极之间；
所述铁电超薄膜厚度为0.4nm-10nm，所述半导体下电极的厚度为10nm-80nm，所述二维材料半导体上电极的厚度为0.1nm-20nm；
所述半导体下电极由钌酸锶、掺杂钛酸锶、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶、氧化铟锡中的一种或者几种薄膜叠加构成；
所述二维材料半导体上电极为二硫化钼、硫化锡、硫化锗、硫化钨、硫化镓、硫化镉中的一种或者几种薄膜叠加构成。
2.根据权利要求1所述的光擦除和读取的铁电隧道结存储单元，其特征在于，所述铁电超薄膜是由锆掺杂氧化铪、钇掺杂氧化铪、硅掺杂氧化铪、铝掺杂氧化铪、钆掺杂氧化铪、钛酸铅、钛酸锆铅、铁酸铋、掺杂铁酸铋、钛酸钡、掺杂钛酸钡、铁酸镥、掺杂铁酸镥、铁酸镓、掺杂铁酸镓中的任意一种材料构成。
3.根据权利要求1所述的光擦除和读取的铁电隧道结存储单元，其特征在于，所述半导体下电极和所述二维材料半导体上电极的禁带宽度不相等且均小于所述铁电超薄膜的禁带宽度。
4.根据权利要求1所述的光擦除和读取的铁电隧道结存储单元，其特征在于，所述半导体下电极和所述二维材料半导体上电极不同时为n型半导体且不同时为p型半导体。
5.一种光擦除和读取的铁电隧道结存储单元的擦除和读取方法，其特征在于，所述光擦除和读取的铁电隧道结存储单元通过控制光辐照时光子能量和光强来实现存储态的擦除和读取。
6.根据权利要求5所述的光擦除和读取的铁电隧道结存储单元的擦除和读取方法，其特征在于，所述光擦除和读取的铁电隧道结存储单元存储态擦除时光子能量大于所述半导体下电极和所述二维材料半导体上电极的禁带宽度，且小于所述铁电超薄膜的禁带宽度。
7.根据权利要求5所述的光擦除和读取的铁电隧道结存储单元的擦除和读取方法，其特征在于，通过控制光辐照时光子能量和光强使所述光擦除和读取的铁电隧道结存储单元中产生隧穿电流，通过读取隧穿电流来实现存储态的读取。
8.根据权利要求7所述的光擦除和读取的铁电隧道结存储单元的擦除和读取方法，其特征在于，所述读取时光辐照的光子能量介于所述半导体下电极的禁带宽度和所述二维材料半导体上电极的禁带宽度之间。
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