CN109742079A - 一种具有多值存储能力的各向异性浮栅存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种可以实现浮栅存储器具有多值存储能力的方法，以及采用该方法设计的各向异性浮栅存储器，该方法以多层石墨烯为埋栅，以少数层二维层状半导体材料为沟道，以六方氮化硼为介电层和封装层，通过范德华堆垛技术以及微纳加工技术制备了具有沿GaTe不同晶向的电极的浮栅存储器，通过改变门电压的大小，对沟道材料GaTe的电学各向异性进行调控，实现了开关比大，数据保持时间长，且具有多值存储功能的浮栅存储器的目的。该方法工艺简单，能够获得性能优异，具有多值存储功能的浮栅存储器。
Description
技术领域
本发明属于纳米人工复合物、微纳米器件、存储器等应用研究领域，具体提供一种具有多值存储能力的各向异性浮栅存储器。
背景技术
自20世纪40年代第一台计算机诞生以来，现代计算机系统的结构依然基于冯.诺依曼原理，即由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备等五部分组成。存储器是计算机的记忆单元，用来存储各种程序和数据，是计算机中不可或缺的重要组成。非易失性存储器，简称NVM，是指存储器所存储的信息在电源关掉后依然能长时间保存，不易丢失。随着手机、数码相机等便携式电子设备的快速普及，半导体市场对NVM的需求变得越来越大。目前应用最成熟的NVM是以闪存(Flash)为主的浮栅存储器，它具有功耗小，存取速度快，成本低等优点。2012年，NAND型Flash已经发展到32nm/64Gbit技术。尽管闪存获得了巨大的成功并占据了存储器市场上最大的份额，闪存本身却面临着很多缺陷和难题，如：擦写速度慢(0.1ms)、擦写电压高(5V)等。而闪存更严重的瓶颈在于降尺度的极限：尺寸的不断减小导致单个存储单元内部存储的电子数目越来越少，而相邻存储单元由于相距越来越近发生电子遂穿的概率也越来越高，使得存储信息的可靠性降低。因此如何提高以Flash为代表的浮栅存储器的存储密度是目前亟待解决的问题。
一些晶体学对称性差的材料往往表现出方向依赖性的物理性能，如力学各向异性，光学各向异性，电学各向异性等。而材料在二维极限下，由于z轴维度的消失，这些各向异性往往更加明显，且蕴藏着丰富的物理内涵以及巨大的应用前景。近来，针对二维材料的电学各向异性得到了非常多的关注。如在黑磷中，研究人员观察到其具有σa/σb≈1.5的面内电学各向异性。然而目前报道的电学各向异性相对较小，最大电流与最小电流的比值往往不超过10，这极大地限制了电学各向异性在实际中的应用。二维层状材料碲化镓(GaTe)是一种具有直接带隙(～1.7eV)的p-型半导体，具有优异的光电性能。它的晶体学对称性很低(C3 2h空间群)，表现出明显的光学及电学各向异性。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以实现浮栅存储器具有多值存储能力的方法，以及采用该方法设计的各向异性浮栅存储器，该方法操作简单、能够得到性能优异的具有多值存储能力的浮栅存储器。
本发明技术方案如下：
一种实现各向异性浮栅存储器具有多值存储能力的方法，其特征在于：利用二维层状半导体材料的电学各向异性及门可调性，实现具有多值存储能力的浮栅存储器。
基于上述方法，本发明还提供了一种具有多值存储能力的各向异性浮栅存储器，其特征在于：所述各向异性浮栅存储器是以二维层状金属材料作为埋栅，以二维层状半导体材料作为沟道材料，以绝缘体作为介电层及封装层。
作为优选的技术方案：
本发明所述二维层状半导体材料为具有电学各向异性(材料在不同晶体学取向上的阻值不同)，且电学各向异性的大小受门电压的调控作用的材料，优选为碲化镓(GaTe)；绝缘体为二维层状绝缘体材料，优选为六方氮化硼(h-BN)；二维层状金属材料优选为多层石墨烯(FLG)。
本发明所述二维层状半导体材料的厚度为1nm-30nm，可以通过力学解理单晶块体或化学生长等方式制备。
本发明所述二维层状半导体材料通过下列方法获得：化学气象沉积(CVD)、力学剥离解理、溶液中超声剥离或化学剥离。
本发明所述浮栅存储器器件放置的基底为Si基底、石英基底、云母片或柔性基底。
本发明还提供了所述具有多值存储能力的各向异性浮栅存储器的制备方法，其特征在于：
将二维层状半导体材料、二维层状金属材料埋栅、介电层及封装层通过范德华堆垛的方式得到h-BN/GaTe/h-BN/FLG范德华异质结；利用电子束曝光(EBL)、反应离子刻蚀(RIE)、电子束蒸发(EBE)等技术，制备具有沿二维层状半导体材料不同晶向的电极的浮栅存储器。
本发明所述存储器可通过改变门电压的大小，实现对沟道材料电学各向异性的调控，通过一次操作电压写入，实现多阻值的读出。
本发明所述具有多值存储能力的各向异性浮栅存储器的制备方法，其特征在于：所述金属电极沿着二维层状半导体材料的某一晶向成对出现，不同对电极呈一定角度。所述金属电极所采用的金属为Cr、Ti、Au、Pd、Sc、Ni之一种或多种。
本发明利用二维层状材料碲化镓显著的电学各向异性，通过范德华堆垛技术以及微纳加工技术，以多层石墨烯(FLG)作为埋栅，少数层GaTe作为沟道材料，沿不同的晶向设计电极，得到了具有大的开关比(>107)以及长的存储时间的浮栅存储器。此外，通过改变门电压的大小，实现了对GaTe电学各向异性的调控(最大电流与最小电流比(Iy/Ix)最高可达到～103量级)，进而使得该存储器仅通过一次操作电压的写入，即可以读出多个阻态，且不同阻态的差异非常显著，不同阻值间的比值最大可达102。对于未来提高浮栅存储器的存储密度提供了一个新的思路，并为电学各向异性的应用提供了一个切实可行的方案。
本发明所述方法的优点在于：
1、利用门电压可以显著地对某些二维层状材料的电学各向异性进行调控；
2、能够制备出性能优异的浮栅存储器，其开关比大(>107)、存储时间长；
3、能够制备出具有多值存储能力的浮栅存储器，从而提高存储器的存储密度。
附图说明
图1为具有多值存储能力的各向异性浮栅存储器的制备过程示意图：a:利用干法转印，将h-BN落在FLG上；b:真空退火；c-d:干法转印GaTe；e:干法转印顶层h-BN；f：真空退火；g:干法刻蚀；h：电子束蒸镀电极。
图2各向异性浮栅存储器的性能：a：器件的转移特性曲线(纵坐标取log)；b：时间脉冲下，器件的开关响应。
图3a：器件“开”态电流及“关”态电流随时间变化；b：本发明各向异性浮栅存储器的性能与其它基于二维材料构建的浮栅存储器的性能的比较。
图4a:以GaTe作为沟道材料的各向异性浮栅存储器的示意图；b、c：相同编译电压下，两对垂直方向的电极的转移特性曲线；d、e：各向异性浮栅存储器的多值存储能力。
具体实施方式
以下实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
实施例1
(1)利用干法转移技术，使用粘性聚合物(PDMS/PPC双层结构)将六方氮化硼(h-BN)转移至其粘性聚合物上面，然后将h-BN融留在一片多层石墨烯(FLG)上，并将所得堆垛结构的基片(SiO2/Si)置于真空退火炉中，进行真空退火，将堆垛结构上的残留聚合物全部挥发，得到干净的h-BN/FLG结构；
(2)使用scope隐形胶带对GaTe进行机械剥离，然后转移到PDMS上，然后再将PDMS上的GaTe转移到上述h-BN/FLG堆垛结构上，并保证GaTe处于FLG的正上方，以致底部FLG能够充分地调控GaTe，得到GaTe/h-BN/FLG结构；
(3)使用粘性聚合物(PDMS/PPC双层结构)将h-BN转移至其粘性聚合物上面，将PPC上的h-BN融留在上述GaTe/h-BN/FLG结构上，得到h-BN/GaTe/h-BN/FLG二维堆垛的异质结构，以上制备过程在手套箱中进行；
(4)利用电子束曝光(EBL)、反应离子刻蚀(RIE)等技术，对顶层h-BN进行图形化并刻蚀，使得GaTe部分漏出，且漏出部分沿GaTe的某一直边成对出现；
(5)利用电子束蒸发技术，蒸镀电极Cr/Au＝5/30nm，然后剥离得到器件；
(6)通过测量不同对电极的电学性能，可以看出器件沿不同的方向表现出不同的电学性能(如图4b,c)，且通过改变门电压的大小，这种电学各向异性的强度发生变化；
(7)对器件施加一个操作写入电压(0V到-20V再到0V)，此时器件处于“关”态，而当施加一个擦写电压(0V到20V再到0V)，不同对电极间GaTe的阻值明显不同(约有～102倍的差异，如图4d,e)。
实施例2
与实施例1的不同之处在于：步骤(1)所述埋栅为金属性碳纳米管(CNT)网络。
所得浮栅存储器可实现多值存储的能力。
实施例3
与实施例1的不同之处在于：步骤(2)将化学气象沉积的GaTe转移到PDMS上，然后再将PDMS上的GaTe转移到h-BN/FLG堆垛结构上
所得浮栅存储器可实现多值存储的能力。
实施例4
与实施例1的不同之处在于：步骤(5)所述金属电极材料为：Ti/Au。
所得浮栅存储器可实现多值存储的能力。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种实现各向异性浮栅存储器具有多值存储能力的方法，其特征在于：利用二维层状半导体材料的电学各向异性及门可调性，实现具有多值存储能力的浮栅存储器。
2.一种具有多值存储能力的各向异性浮栅存储器，其特征在于：所述各向异性浮栅存储器是以二维层状金属材料作为埋栅，以二维层状半导体材料作为沟道材料，以绝缘体作为介电层及封装层。
3.按照权利要求2所述具有多值存储能力的各向异性浮栅存储器，其特征在于：所述二维层状半导体材料为具有电学各向异性，且电学各向异性的大小受门电压的调控作用的材料，绝缘体为二维层状绝缘体材料。
4.按照权利要求2或3所述具有多值存储能力的各向异性浮栅存储器，其特征在于：所述二维层状半导体材料的厚度为1nm-30nm。
5.按照权利要求2或3所述具有多值存储能力的各向异性浮栅存储器，其特征在于：所述二维层状半导体材料通过下列方法获得：化学气象沉积、力学剥离解理、溶液中超声剥离或化学剥离。
6.按照权利要求2或3所述具有多值存储能力的各向异性浮栅存储器，其特征在于：所述二维层状半导体材料为碲化镓，二维层状金属材料为多层石墨烯，绝缘体为六方氮化硼。
7.按照权利要求2或3所述具有多值存储能力的各向异性浮栅存储器，其特征在于：所述浮栅存储器器件放置的基底为Si基底、石英基底、云母片或柔性基底。
8.一种权利要求2所述具有多值存储能力的各向异性浮栅存储器的制备方法，其特征在于：
将二维层状半导体材料、二维层状金属材料埋栅以及介电层通过范德华堆垛的方式得到异质结；利用电子束曝光、反应离子刻蚀以及电子束蒸发技术制备金属电极。
9.按照权利要求8所述具有多值存储能力的各向异性浮栅存储器的制备方法，其特征在于：所述金属电极沿着二维层状半导体材料的某一晶向成对出现，不同对电极呈一定角度。
10.按照权利要求8或9所述具有多值存储能力的各向异性浮栅存储器的制备方法，其特征在于：所述金属电极所采用的金属为Cr、Ti、Au、Pd、Sc、Ni之一种或多种。
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