CN112310282A - 基于二维窄带隙铋碲硒材料的光电阻变存储器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二维窄带隙铋碲硒材料的光电阻变存储器及其制备方法和应用，其结构是在Si衬底上依次形成有SiO2层、Bi2Te3‑ xSex层和Pd电极层。本发明公开了该阻变存储器的制备方法，包括：高温退火、脉冲激光沉积、和磁控溅射技术。本发明提供的光电阻变储器可以执行逻辑和计算（“或”门）、多级信息存储、光电检测、光学信息解调的单个功能。同时，该器件可同时实现光电检测和解调，逻辑计算和存储以及解调和存储功能，这将增加集成电路的紧凑性并降低功耗。高效信息存储和处理的多功能器件性能表现良好，是一种存储性能佳、能耗低、应用前景更为广阔的阻变存储器，为器件小型化的发展开辟了新的途径。
Description
技术领域
本发明涉及存储器件技术领域，具体地说是一种基于二维窄带隙铋碲硒材料的光电阻变存储器及其制备方法和应用。
背景技术
随着电子设备小型化的不断加速，传统的微电子学已逐渐进入纳米尺寸领域。但是，当前电子设备的物理尺寸已达到极限，面临着设备开发的制造和性能方面的新瓶颈。自2004年石墨烯问世以来，研究人员再次看到了希望，因为石墨烯具有低尺寸和良好的电性能。然而，石墨烯能带结构是直接带隙，并且零带隙，这限制了其在半导体器件中的应用。此外，石墨烯具有较弱的线性吸收强度和较低的非线性光学调制深度，这限制了其在光学器件中的应用。因此，研究人员渴望找到合适的二维窄带隙类石墨烯材料，例如：MoS2和BP。由于层之间的范德华力弱，很容易机械剥离，但是目前仍难以制造大规模二维材料。二维Bi2Te3-xSex不仅具有接近石墨烯的0.15 eV的带隙，而且具有优异的光电特性，弥补了石墨烯应用的缺陷。因此，我们尝试制造大面积的2D Bi2Te3-xSex，并将该材料引入光电电阻式开关存储器，从而可以用单个器件实现高效信息存储和处理的多功能集成，为电子设备的小型化提供了可行性选择。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于二维窄带隙铋碲硒材料的光电阻变存储器及其制备方法和应用，以解决现有常规掺杂石墨烯阻变存储器件在光电调剂领域性能受限制的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于二维窄带隙铋碲硒材料的光电阻变存储器，其结构是在Si衬底上依次形成有SiO2层、Bi2Te3-xSex层和Pd电极层，器件结构表示为Pd/Bi2Te3-xSex/SiO2/Si，其中，0≤x≤1。
所述SiO2层的厚度为2 ~ 6 nm。
所述Bi2Te3-xSex层的厚度为3 ~ 100 nm。
所述Pd电极层的厚度为40 ~ 200 nm。
一种基于二维窄带隙铋碲硒材料的光电阻变存储器的制备方法，包括以下步骤：
（a）将Si衬底放入稀释的氢氟酸中腐蚀1~ 3 分钟，去掉Si衬底自然生长的SiO2层，然后依次用去离子水、丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗2 ~ 10分钟，取出后用氮气吹干；
（b）将上述处理的Si衬底放入高温退火炉中，通入氧气，在300 ~ 900℃高温条件下氧化，生长SiO2层；
（c）将Bi2Te3-xSex靶材和人工氧化后的Si衬底放入脉冲激光沉积设备的真空腔中，其中，0≤x≤1，并将腔体抽真空至小于10-4 Pa，背底温度为200 ~ 500 ℃，然后向腔体内通入氩气并使腔体内的压强维持在10 ~ 80 Pa，在激光密度为0.5 ~ 10 J cm-2、激光频率为1 ~10 Hz条件下沉积Bi2Te3-xSex层；
（d）在形成Bi2Te3-xSex层的衬底上放置掩膜版，置于磁控溅射设备的腔体内，并将腔体抽真空至小于10-4 Pa，向腔体内通入流量为5 ~ 50 sccm的氩气，使腔体内的压强维持在0.01 ~ 5 Pa，打开控制Pd靶材起辉的直流源，调整直流源功率为1 ~ 30 W，溅射Pd电极层；最终形成结构为Pd/Bi2Te3-xSex/SiO2/Si的器件。
步骤（a）中，稀释的氢氟酸为将浓度为25%的氢氟酸溶液加入3倍体积的水进行稀释。
步骤（b）中，通入的氧气流量为1 ~ 15 sccm。
步骤（c）中，采用固态粉末烧结法制备Bi2Te3-xSex靶材。
上述的光电阻变存储器在光电检测和解调，逻辑计算和存储，以及解调和存储功能中的应用。
上述的光电阻变存储器在高效信息存储和处理的多功能器件中的应用。
本发明存储器可执行逻辑和计算（“或”门）、多级信息存储、光电检测、光学信息解调的单个功能，还可同时实现光电检测和解调，逻辑计算和存储，以及解调和存储功能，这将增加集成电路的紧凑性并降低功耗，为器件小型化的发展开辟了新的途径，是一种存储性能佳、能耗低、应用前景更为广阔的阻变存储器。
附图说明
图1是光电阻变存储器的结构示意图。
图2是光电阻变存储器在光照下的电流-电压（I-V）曲线图。
图3是光电阻变存储器在光、电和光电信号输入后的输出电信号，国际“或”门符号，及该器件真值表。
图4是器件在不同光强下的响应（图4a）、周期性电阻切转换（图4b）及电阻保持特性图（图4c）。
图5是光电阻变存储器解调特性，图5a是用强度分别为5（G1），50（G2）和100 mW（G3）的光脉冲解码“00”，“01”和“10”，图5b是根据八位ASCII码进行解调“HBU”。
具体实施方式
下面实施例用于进一步详细说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。但不以任何形式限制本发明。
实施例1
本发明制备的光电阻变存储器的结构如图1所示，包括最底层的Si衬底1、SiO2层2、Bi2Te2.7Se0.3层3、Pd电极层4，共同构成最终结构Pd/Bi2Te2.7Se0.3/SiO2/Si。
Pd/Bi2Te2.7Se0.3/SiO2/Si光电阻变存储器制备过程如下：
1. 将Si衬底放入稀释的氢氟酸腐蚀1.5分钟，去掉Si衬底自然生长的SiO2层，然后依次用去离子水、丙酮、酒精和去离子水分别超声波清洗5分钟，取出后用氮气吹干；
2. 将上述处理的Si衬底放入高温退火炉中，通氧气（5 sccm），600 ℃高温氧化，生长SiO2层；
3. 将Bi2Te2.7Se0.3靶材和人工氧化后的Si衬底放入脉冲激光沉积设备真空腔中，并将腔体抽真空至5×10-5 Pa，背底温度300 ℃，然后向腔体内通入氩气并使腔体内的压强维持40 Pa，在沉积参数 1.2 J cm-2和5 Hz条件下沉积Bi2Te2.7Se0.3层；
4. 在形成Bi2Te2.7Se0.3层的衬底上放置掩膜版，放置磁控溅射设备腔内，并将腔体抽真空至5×10-5 Pa，向腔体内通入流量为25 sccm的氩气，使腔体内的压强维持1 Pa，打开控制Pd靶材起辉的直流源，调整直流源功率为10 W，溅射Pd电极层。
采用固态粉末烧结法制备Bi2Te2.7Se0.3靶材：将纯度为99.99%的铋粉、硒粉和碲粉按照摩尔比Bi:Se:Te=20:3:27称量药品，用球磨机将这三种粉混合均匀，放入抽真空的石英管内，封管后放置在马沸炉中以300℃每小时的升温速率升至600℃，煅烧20 h，自然冷却后取出，再次用球磨机混合均匀后，使用液压机将倒入磨具（12 mm）中的粉末压制成型10分钟后取出，即可得到纯相的Bi2Te2.7Se0.3靶材。
实施例2
Pd/Bi2Te2.9Se0.1/SiO2/Si光电阻变存储器制备过程如下：
1. 将Si衬底放入稀释的氢氟酸腐蚀1.5分钟，去掉Si衬底自然生长的SiO2层，然后依次用去离子水、丙酮、酒精和去离子水分别超声波清洗5分钟，取出后用氮气吹干；
2. 将上述处理的Si衬底放入高温退火炉中，通氧气（5 sccm），300 ℃高温氧化，生长SiO2层；
3. 将Bi2Te2.9Se0.1靶材和人工氧化后的Si衬底放入脉冲激光沉积设备真空腔中，并将腔体抽真空至5×10-5 Pa，背底温度200 ℃，然后向腔体内通入氩气并使腔体内的压强维持20 Pa，在沉积参数 10 J cm-2和10 Hz条件下沉积Bi2Te2.9Se0.1层；
4. 在形成Bi2Te2.9Se0.1层的衬底上放置掩膜版，放置磁控溅射设备腔内，并将腔体抽真空至5×10-5 Pa，向腔体内通入流量为25 sccm的氩气，使腔体内的压强维持1 Pa，打开控制Pd靶材起辉的直流源，调整直流源功率为10 W，溅射Pd电极层。
采用固态粉末烧结法制备Bi2Te2.9Se0.1靶材：将纯度为99.99%的铋粉、硒粉和碲粉按照摩尔比Bi:Se:Te=20:1:29称量药品，用球磨机将这三种粉混合均匀，放入抽真空的石英管内，封管后放置在马沸炉中以300℃每小时的升温速率升至600℃，煅烧20 h，自然冷却后取出，再次用球磨机混合均匀后，使用液压机将倒入磨具（12 mm）中的粉末压制成型10分钟后取出，即可得到纯相的Bi2Te2.9Se0.1靶材。
实施例3
Pd/Bi2Te2.1Se0.9/SiO2/Si光电阻变存储器制备过程如下：
1. 将Si衬底放入稀释的氢氟酸腐蚀1.5分钟，去掉Si衬底自然生长的SiO2层，然后依次用去离子水、丙酮、酒精和去离子水分别超声波清洗5分钟，取出后用氮气吹干；
2. 将上述处理的Si衬底放入高温退火炉中，通氧气（5 sccm），900 ℃高温氧化，生长SiO2层；
3. 将Bi2Te2.1Se0.9靶材和人工氧化后的Si衬底放入脉冲激光沉积设备真空腔中，并将腔体抽真空至5×10-5 Pa，背底温度500 ℃，然后向腔体内通入氩气并使腔体内的压强维持80 Pa，在沉积参数 5.6 J cm-2和6.0 Hz条件下沉积Bi2Te2.1Se0.9层；
4. 在形成Bi2Te2.1Se0.9层的衬底上放置掩膜版，放置磁控溅射设备腔内，并将腔体抽真空至5×10-5 Pa，向腔体内通入流量为25 sccm的氩气，使腔体内的压强维持1 Pa，打开控制Pd靶材起辉的直流源，调整直流源功率为10 W，溅射Pd电极层。
采用固态粉末烧结法制备Bi2Te2.1Se0.9靶材：将纯度为99.99%的铋粉、硒粉和碲粉按照摩尔比Bi:Se:Te=20:9:21称量药品，用球磨机将这三种粉混合均匀，放入抽真空的石英管内，封管后放置在马沸炉中以300℃每小时的升温速率升至600℃，煅烧20 h，自然冷却后取出，再次用球磨机混合均匀后，使用液压机将倒入磨具（12 mm）中的粉末压制成型10分钟后取出，即可得到纯相的Bi2Te2.1Se0.9靶材。
实施例4
Pd/Bi2Te2.7Se0.3/SiO2/Si光电阻变存储器性能描述：
通过实施例1制备的存储器在不同光强下测定其电流-电压(I-V)特性曲线，结果见图2。由图2可知在不同光强下器件正向I-V有明显差异，可以看出随着光强的增大，器件电阻越小。
实施例1制备的光电阻变存储器的可编程逻辑功能，结果见图3。从图3中可以看出，我们的器件具有实现“或门”数字逻辑电路的功能。当没有光电信号输入时，器件的电流极小，此时将器件置于高阻状态，处于截止态输出数字电路中的“0”。当有光或电信号或光电信号输入时，器件具有较大的电流，此时将器件置于低阻状态，处于导通状态输出数字电路中的“1”。以上对应输出电流如图中表格所列。
实施例1制备的光电阻变存储器的存储功能：用405 nm不同光强的光照射下，将其置于不同的电阻态，如图4a，光响应电阻有明显差别。图b显示的在连续的周期的不同光强下的电阻转换过程，显示了器件良好的可多次开关转换。图c为初始状态以及不同光强下的电阻状态保持特性，显示了器件具有良好的保持特性。
实施例1制备的光电阻变存储器的光电解调特性：解调器是用于将携带信息的光信号转换为电信的设备，是光通信的核心组件。其解调的对象是被传递不同强度和频率的光信息。在此，通过单个紫色光束的光强度承载的两位信息，可以通过Pd/Bi2Te2.7Se0.3/Si器件的电阻响应精确地解调和保存。光束对应于较低强度（G1），较高强度（G2）和更高强度（G3），可以被解调为“00”“01”“10”数字信息并存储。例如，具有405 nm波长不同强度（5 mW，50 mW和100 mW）的四个光脉冲束可以解调单个字母“H”，并通过标准的八位ASCII代码“01001000”将其存储在本器件中。为了避免误读，可以在电擦除之后读取光学位置。本发明可以准确地解调和存储“HBU”，它是我们学校“河北大学”的字母标志。与其它单个解调器和存储器相比，该设备易于操作。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于二维窄带隙铋碲硒材料的光电阻变存储器，其特征在于，其结构是在Si衬底上依次形成有SiO2层、Bi2Te3-xSex层和Pd电极层，器件结构表示为Pd/Bi2Te3-xSex/SiO2/Si，其中，0≤x≤1。
2.根据权利要求1所述的光电阻变存储器，其特征在于，所述SiO2层的厚度为2 ~ 6 nm。
3.根据权利要求1所述的光电阻变存储器，其特征在于，所述Bi2Te3-xSex层的厚度为3 ~100 nm。
4.根据权利要求1所述的光电阻变存储器，其特征在于，所述Pd电极层的厚度为40 ~200 nm。
5.一种基于二维窄带隙铋碲硒材料的光电阻变存储器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）将Si衬底放入稀释的氢氟酸中腐蚀1~ 3 分钟，去掉Si衬底自然生长的SiO2层，然后依次用去离子水、丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗2 ~ 10分钟，取出后用氮气吹干；
（b）将上述处理的Si衬底放入高温退火炉中，通入氧气，在300 ~ 900℃高温条件下氧化，生长SiO2层；
（c）将Bi2Te3-xSex靶材和人工氧化后的Si衬底放入脉冲激光沉积设备的真空腔中，其中，0≤x≤1，并将腔体抽真空至小于10-4 Pa，背底温度为200 ~ 500 ℃，然后向腔体内通入氩气并使腔体内的压强维持在10 ~ 80 Pa，在激光密度为0.5 ~ 10 J cm-2、激光频率为1 ~10 Hz条件下沉积Bi2Te3-xSex层；
（d）在形成Bi2Te3-xSex层的衬底上放置掩膜版，置于磁控溅射设备的腔体内，并将腔体抽真空至小于10-4 Pa，向腔体内通入流量为5 ~ 50 sccm的氩气，使腔体内的压强维持在0.01 ~ 5 Pa，打开控制Pd靶材起辉的直流源，调整直流源功率为1 ~ 30 W，溅射Pd电极层；最终形成结构为Pd/Bi2Te3-xSex/SiO2/Si的器件。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（a）中，稀释的氢氟酸为将浓度为25%的氢氟酸溶液加入3倍体积的水进行稀释。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（b）中，通入的氧气流量为1 ~ 15sccm。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（c）中，采用固态粉末烧结法制备Bi2Te3-xSex靶材。
9.权利要求1~4任一所述的光电阻变存储器在光电检测和解调，逻辑计算和存储，以及解调和存储功能中的应用。
10.权利要求1~4任一所述的光电阻变存储器在高效信息存储和处理的多功能器件中的应用。
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