CN112309440A - 基于铂-二维硒化铟-少层石墨肖特基二极管的光存储器件及存储方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于铂‑二维硒化铟‑少层石墨肖特基二极管的光存储器件及存储方法，以干法转移技术制备的二维硒化铟‑石墨异质结构为基础，构筑铂‑二维硒化铟‑石墨肖特基二极管基的光存储器件。与背景技术中报道的基于二维材料对称型场效应晶体管光存储器件相比，铂‑二维硒化铟‑石墨肖特基二极管基的光存储器件工作时只需要调控源极和漏极之间的电压以及外部光照，即可实现对器件逻辑状态的控制，不需要引入较大的栅极电压，简化了器件工作时的电路连接。同时，本发明将器件工作时的电流从背景技术的微安(μA)级别降低至纳安(nA)级别，达到了降低能耗的目的。
Description
技术领域
本发明属于光存储器件，涉及一种基于铂-二维硒化铟-少层石墨肖特基二极管的光存储器件及存储方法。
背景技术
在过去的几十年中，以数据存储、信息检索及其传输和处理为主要功能的半导体技术进步极大地促进了人类社会的发展。其中基于纳米技术及新材料技术的新型光存储器件的开发和使用尤其受到关注。光存储器件，是一类综合利用半导体材料及其异质结构的光响应特性和电学输运特性，能够在一个器件单元中同时实现光探测及数据存储和处理等多种功能的新型存储器件，其研究和开发具有重要的理论意义和实用价值。与传统体半导体材料相比，二维半导体材料种类丰富，性能多样且具有天然钝化的表面和原子层级别的厚度，更容易实现功能多样化器件的可控制备，是构筑高性能光存储器件的理想材料。截至目前为止，已有多种基于石墨烯、二硫化钼等二维材料及其异质结构的光存储器件被成功制备。但目前报道的大部分二维光存储器件都是以对称型场效应晶体管为基础，一方面其器件结构较为复杂且对制备工艺要求较高；另一方面此类器件一般通过控制较大的栅极电压来实现字节的写入、读出和擦除，且工作电流较大，不易降低能耗。因此，设计并构筑一种基于二维材料的结构简单、耗能低的新型光存储器件具有重要意义。二维硒化铟材料，因其具有优异的电学输运性能，机械性能以及光响应特性，是继石墨烯、二硫化钼、黑磷等最有前景的二维半导体材料之一。基于二维硒化铟材料的肖特基二极管性能优异且易于制备，在电子和光电子领域具有良好的应用前景，但目前尚没有基于该类型光存储器件的报道。
文献1“Roy K,Padmanabhan M,Goswami S,et al.Graphene–MoS2 hybridstructures for multifunctional photoresponsive memory devices.Naturenanotechnology,2013；8:826-830”报道了基于干法转移制备的石墨烯/二硫化钼异质结构，使用电子束光刻等技术在二氧化硅/硅衬底上成功构筑了金-石墨烯/二硫化钼-金场效应晶体管，报道的金-石墨烯/二硫化钼-金场效应晶体管通过控制栅极电压能够同时实现光探测器和光存储器的功能。
文献2“Wang Q,Wen Y,Cai K,et al.Nonvolatile infrared memory in MoS2/PbS van der Waals heterostructures.Science advances,2018；4:eaap7916”报道了基于二硫化钼/硫化铅异质结构，采用电子束光刻技术在二氧化硅/硅衬底上成功构筑了金-二硫化钼/硫化铅-金场效应晶体管，报道的金-二硫化钼/硫化铅-金场效应晶体管通过控制栅极电压能够实现对红外光的探测和信息存储功能。
文献3“Xiang D,Liu T,Xu J,et al.Two-dimensional multibitoptoelectronic memory with broadband spectrum distinction.Naturecommunications,2018；9:1-8”报道了基于干法转移制备的二硒化钨/六方氮化硼异质结构，采用电子束光刻技术在二氧化硅/硅衬底上成功构筑了金-二硒化钨/六方氮化硼-金场效应晶体管，报道的金-二硒化钨/六方氮化硼-金场效应晶体管通过控制栅极电压能够实现光探测和光存储功能。
文献4“赵清华,王涛,介万奇,et al.一种金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管及制备方法.申请号：202010302170.0”报道了基于干法转移制备的二维硒化铟/石墨异质结构的金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管及其制备方法，报道的金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管能够实现光探测的功能。
文献1-3均制备了满足严格意义上具有光存储功能要求的器件单元，但以上光存储器件均基于二维材料对称型场效应晶体管，工作时需要通过调节较大的栅极电压(50-100V)来实现器件逻辑状态的控制，且工作电流为微安级别，不能满足低能耗的要求。文献4制备了严格意义上的金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管，但没有进行基于该肖特基二极管光存储功能的报道。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于铂-二维硒化铟-少层石墨肖特基二极管的光存储器件及存储方法，克服现有以二维材料对称型场效应晶体管为基础的光存储器件工作电压高、工作电流大的不足以及填补二维材料肖特基二极管在光存储器件应用领域。
技术方案
一种基于铂-二维硒化铟-少层石墨肖特基二极管的光存储器件，其特征在于包括金属铂-二维硒化铟-少层石墨肖特基二极管，其中铂电极与电压源的正极相接，石墨电极与电压源的负极相接。
一种所述基于铂-二维硒化铟-少层石墨肖特基二极管的光存储器件的存储方法，其特征在于：逻辑状态和光存储功能：在室温10-6mbar的高真空条件下，写入-读出时：在光照条件下使电压源输出电压VW>0，并保持时间T，写入状态,然后关闭光源并使电压源输出电压为0V，再保持时间T，空闲状态，保持光源关闭，随后调节电压源电压为VR，0<VR<VW，保持时间T并记录电流I1，读出状态；擦除-读出时：在光照条件下设定电压源电压VE，VE<0，并保持时间T，擦除状态,然后关闭光源并使电压源输出电压为0V，再保持相间T，空闲状态，保持光源关闭，使电压源输出电压为VR，0<VR<VW，保持时间T并记录电流I0，读出状态。
有益效果
本发明提出的一种基于铂-二维硒化铟-少层石墨肖特基二极管的光存储器件及存储方法，以干法转移技术制备的二维硒化铟-石墨异质结构为基础，构筑铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管基的光存储器件。与背景技术中报道的基于二维材料对称型场效应晶体管光存储器件相比，铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管基的光存储器件工作时只需要调控源极和漏极之间的电压以及外部光照，即可实现对器件逻辑状态的控制，不需要引入较大的栅极电压，简化了器件工作时的电路连接。同时，本发明将器件工作时的电流从背景技术的微安(μA)级别降低至纳安(nA)级别，达到了降低能耗的目的。
本方法针对现有以二维材料对称型场效应晶体管为基础的光存储器件工作电压高、工作电流大的不足以及填补二维材料肖特基二极管在光存储器件应用领域的空白，以采用干法转移技术构筑的金属铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管为基础，利用其光照条件下电流-电压特性中正偏条件下的电流迟滞效应，通过外加电压和光照对器件的输出电流进行控制，进而实现器件的逻辑状态和光存储功能。该方法可以稳定制备结构简单、耗能低的新型光存储器件。
附图说明
图1是本发明方法实施例1所制备的二维硒化铟肖特基二极管基光存储器件的结构示意图。
图2是本发明方法实施例1所制备的铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管基光存储器件1号样的光学显微镜照片。
图3是本发明方法实施例1所制备的铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管基光存储器件1号样暗场和明场条件下的电流-电压特性曲线。
图4是本发明方法实施例1所制备的铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管基光存储器件逻辑状态实现样例。
图5是本发明方法实施例2所制备的铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管基光存储器件逻辑状态实现样例。
图6是本发明方法实施例3所制备的铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管基光存储器件逻辑状态实现样例。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
一种基于二维硒化铟光存储器件的制备和应用方法，其特点是采用以下步骤：
步骤一、采用金属硬掩模，在285nm SiO2/Si表面热蒸发制备铬(5nm)/铂(30nm)的对称结构的金属电极，电极之间的沟道距离为30μm。
步骤二、采用机械剥离法制备少层石墨(厚度约为20nm)，采用干法转移技术将其从聚二甲基硅氧烷(PDMS)转移至单侧电极表面并充分覆盖电极内侧边缘且不搭接另一侧电极。
步骤三、采用机械剥离法在聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面制备二维硒化铟材料，选取厚度均一(20-30nm)，尺寸合适的薄片，采用干法转移技术将其搭接在铂-石墨电极之间。
步骤四、将制备的铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管保存室温干燥空气中，并使用能量密度为50mW/cm2的530nm LED光照50-150小时。
步骤五、在室温高真空(10-6mbar)条件下，使用Keithley 2450电流表对铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管进行暗场和明场电流-电压特性曲线测试。测试时，将肖特基二极管的铂电极与电压源的正极相接，石墨电极与电压源的负极相接，使金属铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管处于正向偏压下导通，负向偏压下截止的状态。
在室温高真空(10-6mbar)条件下，对铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管进行光存储功能测试。测试写入-读出时，在光照条件下使电压源输出电压VW(VW>0)，并保持时间T(写入状态),然后关闭光源并使电压源输出电压为0V，再保持时间T(空闲状态)，保持光源关闭，随后调节电压源电压为VR(0<VR<VW)，保持时间T并记录电流I1(读出状态)。测试擦除-读出时，在光照条件下设定电压源电压VE(VE<0)，并保持时间T(擦除状态),然后关闭光源并使电压源输出电压为0V，再保持相间T(空闲状态)，保持光源关闭，使电压源输出电压为VR(0<VR<VW)，保持时间T并记录电流I0(读出状态)。
实施例1：
步骤一、采用金属硬掩模，在285nm SiO2/Si表面热蒸发制备铬(5nm)/铂(30nm)的对称结构的金属电极，电极之间的沟道距离为30μm。
步骤二、采用机械剥离法制备少层石墨(厚度为20nm)，采用干法转移技术将其从聚二甲基硅氧烷(PDMS)转移至单侧电极表面并充分覆盖电极内侧边缘且不搭接另一侧电极。
步骤三、采用机械剥离法在聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面制备二维硒化铟材料，选取厚度均一(17nm)，尺寸合适的薄片，采用干法转移技术将其搭接在铂-石墨电极之间，其结构示意图如图1，实物照片如图2。
步骤四、将制备的铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管保存室温干燥空气中，并使用能量密度为50mW/cm2的530nm LED光照50小时。
步骤五、在室温高真空(10-6mbar)条件下，使用Keithley 2450电流表对铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管进行暗场和明场电流-电压特性曲线测试。测试时，将肖特基二极管的铂电极与电压源的正极相接，石墨电极与电压源的负极相接，使金属铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管处于正向偏压下导通，负向偏压下截止的状态。测得电流-电压特性曲线如图3。
在室温高真空(10-6mbar)条件下，对铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管进行光存储功能测试。测试写入-读出时，在光照条件下使电压源输出电压10V，并保持时间150s(写入状态),然后关闭光源并使电压源输出电压为0V，再保持时间150s(空闲状态)，保持光源关闭，随后调节电压源电压为3V，保持时间150s并记录电流I1(读出状态)。测试擦除-读出时，在光照条件下设定电压源电压-5V，并保持时间150s(擦除状态),然后关闭光源并使电压源输出电压为0V，再保持相间150s(空闲状态)，保持光源关闭，使电压源输出电压为3V，保持时间150s并记录电流I0(读出状态)，其光存储器件逻辑状态实现样例如图4。
本实施例成功构筑了基于铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管的光存储器件。
实施例2：
步骤一、采用金属硬掩模，在285nm SiO2/Si表面热蒸发制备铬(5nm)/铂(30nm)的对称结构的金属电极，电极之间的沟道距离为30μm。
步骤二、采用机械剥离法制备少层石墨(厚度为23nm)，采用干法转移技术将其从聚二甲基硅氧烷(PDMS)转移至单侧电极表面并充分覆盖电极内侧边缘且不搭接另一侧电极。
步骤三、采用机械剥离法在聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面制备二维硒化铟材料，选取厚度均一(24nm)，尺寸合适的薄片，采用干法转移技术将其搭接在铂-石墨电极之间，其结构示意图如图1。
步骤四、将制备的铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管保存室温干燥空气中，并使用能量密度为50mW/cm2的530nm LED光照100小时。
步骤五、在室温高真空(10-6mbar)条件下，使用Keithley 2450电流表对铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管进行暗场和明场电流-电压特性曲线测试。测试时，将肖特基二极管的铂电极与电压源的正极相接，石墨电极与电压源的负极相接，使金属铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管处于正向偏压下导通，负向偏压下截止的状态。
在室温高真空(10-6mbar)条件下，对铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管进行光存储功能测试。测试写入-读出时，在光照条件下使电压源输出电压4V，并保持时间40s(写入状态),然后关闭光源并使电压源输出电压为0V，再保持时间40s(空闲状态)，保持光源关闭，随后调节电压源电压为1V，保持时间40s并记录电流I1(读出状态)。测试擦除-读出时，在光照条件下设定电压源电压-5V，并保持时间40s(擦除状态),然后关闭光源并使电压源输出电压为0V，再保持相间40s(空闲状态)，保持光源关闭，使电压源输出电压为1V，保持时间40s并记录电流I0(读出状态)，其光存储器件逻辑状态实现样例如图5。
本实施例成功构筑了基于铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管的光存储器件。
实施例3：
步骤一、采用金属硬掩模，在285nm SiO2/Si表面热蒸发制备铬(5nm)/铂(30nm)的对称结构的金属电极，电极之间的沟道距离为30μm。
步骤二、采用机械剥离法制备少层石墨(厚度为25nm)，采用干法转移技术将其从聚二甲基硅氧烷(PDMS)转移至单侧电极表面并充分覆盖电极内侧边缘且不搭接另一侧电极。
步骤三、采用机械剥离法在聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面制备二维硒化铟材料，选取厚度均一(28nm)，尺寸合适的薄片，采用干法转移技术将其搭接在铂-石墨电极之间，其结构示意图如图1。
步骤四、将制备的铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管保存室温干燥空气中，并使用能量密度为50mW/cm2的530nm LED光照150小时。
步骤五、在室温高真空(10-6mbar)条件下，使用Keithley 2450电流表对铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管进行暗场和明场电流-电压特性曲线测试。测试时，将肖特基二极管的铂电极与电压源的正极相接，石墨电极与电压源的负极相接，使金属铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管处于正向偏压下导通，负向偏压下截止的状态。
在室温高真空(10-6mbar)条件下，对铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管进行光存储功能测试。测试写入-读出时，在光照条件下使电压源输出电压10V，并保持时间9s(写入状态),然后关闭光源并使电压源输出电压为0V，再保持时间9s(空闲状态)，保持光源关闭，随后调节电压源电压为1V，保持时间9s并记录电流I1(读出状态)。测试擦除-读出时，在光照条件下设定电压源电压-10V，并保持时间9s(擦除状态),然后关闭光源并使电压源输出电压为0V，再保持相间9s(空闲状态)，保持光源关闭，使电压源输出电压为1V，保持时间9s并记录电流I0(读出状态)，其光存储器件逻辑状态实现样例如图6。
本实施例成功构筑了基于铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管的光存储器件。
Claims (2)
1.一种基于铂-二维硒化铟-少层石墨肖特基二极管的光存储器件，其特征在于包括金属铂-二维硒化铟-少层石墨肖特基二极管，其中铂电极与电压源的正极相接，石墨电极与电压源的负极相接。
2.一种权利要求1所述基于铂-二维硒化铟-少层石墨肖特基二极管的光存储器件的存储方法，其特征在于：逻辑状态和光存储：在室温10-6mbar的高真空条件下，写入-读出时：在光照条件下使电压源输出电压VW>0，并保持时间T，写入状态,然后关闭光源并使电压源输出电压为0V，再保持时间T，空闲状态，保持光源关闭，随后调节电压源电压为VR，0<VR<VW，保持时间T并记录电流I1，读出状态；擦除-读出时：在光照条件下设定电压源电压VE，VE<0，并保持时间T，擦除状态,然后关闭光源并使电压源输出电压为0V，再保持相间T，空闲状态，保持光源关闭，使电压源输出电压为VR，0<VR<VW，保持时间T并记录电流I0，读出状态。
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