CN112885904A - 一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器及其制备方法 - Google Patents

一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光电存储器领域，具体公开了一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器及其制备方法，光电存储器包括从下至上依次设置的衬底层、浮栅层、介质层、导电沟道层和金属电极，所述浮栅层材料为富勒烯，用于存储载流子；所述导电沟道层吸收近红外光和提供导电沟道；所述介质层为大带隙绝缘材料，所述介质层与所述浮栅层之间形成势垒，所述介质层(3)与所述导电沟道层(4)之间形成势垒。在所述衬底层(1)和所述源电极(5)之间施加正向的电压时，所述浮栅层(2)中注入电子；在所述衬底层(1)和所述源电极(5)之间施加负向的电压时，所述浮栅层(2)中注入空穴，实现了近红外波段可调制的双向记忆的存储效果。

Description

一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器及其制备 方法
技术领域
本发明涉及光电存储器领域，特别涉及一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器及其制备方法。
背景技术
富勒烯分子由60个碳原子构成，其结构形似足球，故又称足球烯，由其结构可知它是碳原子结合的稳定分子。富勒烯构成碳原子的稳定结构一经问世便注定会引起人们的关注和兴趣。由于其结构缺少电子烯烃，富勒烯于是便是较为理想的电子受体，未掺杂的富勒烯是弱n型半导体。由于富勒烯分子具有优良的电子亲和力，使其具有储存电子的能力，因此在浮栅控制性光电存储器中作为浮栅层材料成为可能。石墨烯是一种单原子层状的二维材料，碳原子排列在六角蜂窝状晶格中，具有许多吸引人的电子、光学、力学和热学性质，此材料具有轻薄、导热导电性优良以及性质稳定的优点。在常温下，石墨烯的载流子迁移率约为105cm2/Vs，在低温下则可达到106cm2/Vs。石墨烯具有零带隙和半金属性的特点，此特性对于它在光电领域的应用是很大前景的，单层的石墨烯在可见光到近红外光范围内的光吸收系数可达到7x105cm-1，此系数远远高于其他传统的半导体材料。六方氮化硼是由氮原子和硼原子构成的类似于石墨烯六角蜂窝状晶格结构的一种二维材料，但与石墨烯不同的是，六方氮化硼是具有6eV的大带隙的绝缘体，它与石墨烯具有非常相似的晶格常数，因此六方氮化硼在与石墨烯相结合的功能型器件中得到了具有前景的应用，常被用做介质层材料。
目前，这种浮栅控制型光电存储器件主要由浮栅层、介质层和导电沟道的堆叠结构构成，通过栅压向浮栅层注入载流子，也有两端器件通过源漏偏压注入，利用被介质层阻挡住的载流子形成的浮栅效应调控导电沟道的电阻，进而改变导电沟道的电流大小，并且保持该电流状态，形成对电流的记忆效果。之后，通过相反栅压或相反源漏偏压注入相反电性的载流子，使浮栅中存储的载流子复合，浮栅效应相应消失，导电沟道中的电流回复至初始状态。此外，也可通过光照来对电记忆进行擦除，吸光层可以是浮栅层，也可是导电沟道层。当浮栅层材料吸光激发存储载流子隧穿以恢复初始状态，当导电沟道吸光材料吸光产生光生载流子，部分载流子被激发隧穿经过介质层进入浮栅层与存储载流子复合，恢复初始状态。2016年Quoc An Vu等将三种二维材料相结合制作的二端浮栅控制型光电存储器实现了电注入、电擦除，在此基础上，他们于2018年研究了此器件的光擦除效果，实现了可见光范围的光擦除；2018年Yu Wang研究了此类器件不同栅压电注入对光擦除效果的影响，当栅压为正和负时，注入的载流子电性不同，光擦除时产生响应方向的不同，但是光擦除波段限制在可见光波段；2019年Wenhao Huang和Sung Hyun Kim分别探究了此类器件的光擦除现象，但是始终没有探究改变栅压电注入对光擦除响应正负的影响，并且光擦除波段仍然限制在可见光波段。
目前，此类浮栅控制型光电存储器件存在共同的问题：一方面对于电注入载流子大部分被限制在单向注入，难以通过控制栅压正负大小来改变光擦除效果的正负响应；另一方面受吸光材料的限制，光擦除的光波段被限制在可见光波段，难以拓宽至近红外波段。
发明内容
本发明主要提供一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器及其制备方法，能够解决了现有浮栅控制型光电存储器的光记忆波段受吸光材料、浮栅和导电沟道材料性质限制，只能实现可见光波段的光记忆，并且只能实现正向电注入或者反向电注入的单向注入，难以实现近红外波段双向记忆的存储以及光擦除的正负响应转变的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器。
所述光电存储器包括从下至上依次设置的衬底层1、浮栅层2、介质层3、导电沟道层4和金属电极，所述浮栅层2材料为富勒烯，用于存储载流子；所述导电沟道层4吸收近红外光和提供导电沟道；所述介质层3为大带隙绝缘材料，所述介质层3与所述浮栅层2之间形成势垒，所述介质层3与所述导电沟道层4之间形成势垒。
优选地，所述介质层3材料为六方氮化硼，所述导电沟道层4材料为石墨烯。
优选地，所述衬底层1为氧硅薄膜，用于栅压输入。
优选地，所述介质层3完全包覆在所述浮栅层2上。
优选地，所述金属电极包括分别设置在所述导电沟道层4上的源电极5和漏电极6。
优选地，所述栅压输入包括：在所述衬底层1和所述源电极5之间施加正向的电压时，所述浮栅层2中注入电子；在所述衬底层1和所述源电极5之间施加负向的电压时，所述浮栅层2中注入空穴。
本发明还提供一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器的制备方法，所述方法包括以下内容：
S1、准备衬底层1，清洗所述衬底层1并晾干；
S2、在清洗晾干后的衬底层1上蒸镀上一层富勒烯薄膜作为浮栅层2；
S3、在所述浮栅层2上制备一层大带隙绝缘材料作为介质层3；
S4、在所述介质层3上制备一层导电沟道层4，并在所述导电沟道层4上蒸镀金属电极，完成器件制备。
优选地，所述衬底层1选用氧硅薄膜，所述S1中清洗所述衬底层1包括：依次使用去污剂、丙酮、乙醇、去离子水超声清洗氧硅薄膜。
优选地，所述介质层3材料选用六方氮化硼，将介质层3完全包覆在所述浮栅层2上，所述导电沟道层4位于所述浮栅层2的正上方。
优选地，所述导电沟道层4材料选用石墨烯，所述导电沟道层4位于所述浮栅层2的正上方，金属电极包括分别设置在所述导电沟道层4上的源电极5和漏电极6。
本发明的有益效果是：(1)区别于现有技术的情况，本发明从下至上依次设置有衬底层1、浮栅层2、介质层3、导电沟道层4和金属电极，所述浮栅层2材料为富勒烯，用于存储载流子，使电注入后能够存储电子或空穴，所述介质层3为大带隙绝缘材料，所述介质层3与所述浮栅层2和导电沟道层4之间均形成势垒，阻碍载流子在浮栅层2和导电沟道层4之间移动，使得注入浮栅层2的载流子能够有效存储，当栅压为正时，向浮栅层2注入电子，近红外光照射导电沟道层4激发空穴隧穿与之复合；当栅压为负时，向浮栅层2注入空穴，近红外光照射导电沟道层4激发电子隧穿与之复合，以此实现近红外波段可调制的双向记忆的存储效果；(2)介质层3完全包覆在所述浮栅层2上，使其能够隔绝外部环境的影响，具有其它采用有机材料的存储器没有的持久耐用的特性；(3)石墨烯作为导电沟道层4，石墨烯迁移率高，因此能够有效地表征源漏之间的电流变化；石墨烯在近红外波段吸光，这与大部分半导体吸光范围局限在可见光范围相比，可将此浮栅控制型光电存储器的吸光范围拓宽至近红外波段，本发明采用六方氮化硼作为介质层，六方氮化硼具有6eV的大带隙，使其能够形成较大势垒，不仅能够有效阻挡电子，还能有效阻挡空穴；(4)浮栅层2的材料为富勒烯、介质层3的材料为六方氮化硼、导电沟道层4的材料为石墨烯，三者之间晶格具有良好晶格匹配，界面缺陷较少，提高器件的稳定性。
附图说明
图1是本发明一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器的结构示意图；
图2是本发明能带示意图；
图3是本发明正栅压注入形成负光响应载流子传输示意图；
图4是本发明负栅压注入形成正光响应载流子传输示意图；
图5是本发明不同栅压注入形成近红外光响应正负翻转图示；
图6是本发明近红外光长时间记忆示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚和完整，以下实施例结合附图对本发明作进一步地阐述。
实施例1
如图1所示，提供一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器。所述光电存储器包括从下至上依次设置的衬底层1、浮栅层2、介质层3、导电沟道层4和金属电极，所述浮栅层2材料为富勒烯，用于存储载流子；所述导电沟道层4吸收近红外光和提供导电沟道；所述介质层3为大带隙绝缘材料，所述介质层3与所述浮栅层2之间形成势垒，所述介质层3与所述导电沟道层4之间形成势垒。
本发明的工作原理：浮栅层2的材料选用富勒烯，能够有效存储由栅压注入从导电沟道层隧穿至浮栅层的电子或空穴，介质层3为大带隙绝缘材料，所述介质层3与所述浮栅层2和导电沟道层4之间均形成势垒，阻碍载流子在浮栅层2和导电沟道层4之间移动，在栅压控制隧穿完成后难以再次反向隧穿恢复初始源漏电流状态，使得注入浮栅层2的载流子能够有效存储，浮栅层2使该光电存储器形成完整的浮栅结构，利用浮栅层2的浮栅效应改变导电沟道的电流大小以达到记忆与擦除的效果，导电沟道层4能吸收近红外光，当栅压为正时，向浮栅层2注入电子，近红外光照射导电沟道层4激发空穴隧穿与之复合；当栅压为负时，向浮栅层2注入空穴，近红外光照射导电沟道层4激发电子隧穿与之复合，以此实现近红外波段可调制的双向记忆的存储效果。
进一步地，所述介质层3材料为六方氮化硼，所述导电沟道层4材料为石墨烯。
进一步地，如图2所示的能带结构，富勒烯薄膜和导电沟道层石墨烯之间隔着拥有大带隙的介质层六方氮化硼，由介质层3的阻挡作用，在无外部激励的情况下，载流子很难越过大势垒发生隧穿。当在栅极和源极之间施加正压时，如图3所示，石墨烯中注入了大量电子，石墨烯的费米能级升高，电子隧穿到达富勒烯，停止施加栅压后，电子由于势垒阻挡而无法反向隧穿至石墨烯，这将降低石墨烯的电阻水平，使源漏电流值升高，再用近红外光照射时，石墨烯中的光生空穴被激发隧穿至富勒烯与存储的电子复合，浮栅效应消失，源漏电流恢复初始状态，这一光照光电流为负响应，光照结束后电流将继续保持，实现负响应的光记忆；当在栅极和源极之间施加负压时，如图4所示，石墨烯中注入了大量空穴，石墨烯的费米能级降低，空穴隧穿到达富勒烯，停止施加栅压后，空穴由于势垒阻挡而无法反向隧穿至石墨烯，这将升高石墨烯的电阻水平，使源漏电流值降低，再用近红外光照射使，石墨烯中的光生电子被激发隧穿至富勒烯与存储的空穴复合，浮栅效应消失，源漏电流恢复初始状态，这一光照光电流为正响应，光照结束后电流将继续保持，实现正响应的光记忆。
进一步地，所述衬底层1为氧硅薄膜，用于栅压输入。
进一步地，所述介质层3完全包覆在所述浮栅层2上。
进一步地，所述金属电极包括分别设置在所述导电沟道层4上的源电极5和漏电极6。
进一步地，所述栅压输入包括：在所述衬底层1和所述源电极5之间施加正向的电压时，所述浮栅层2中注入电子；在所述衬底层1和所述源电极5之间施加负向的电压时，所述浮栅层2中注入空穴。
实施例2
本发明还提供一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器的制备方法，所述方法包括以下内容：
S1、准备衬底层1，清洗所述衬底层1并晾干；
S2、在清洗晾干后的衬底层1上蒸镀上一层富勒烯薄膜作为浮栅层2；
S3、在所述浮栅层2上制备一层大带隙绝缘材料作为介质层3；
S4、在所述介质层3上制备一层导电沟道层4，并在所述导电沟道层4上蒸镀金属电极，完成器件制备。
进一步地，所述衬底层1选用氧硅薄膜，所述S1中清洗所述衬底层1包括：依次使用去污剂、丙酮、乙醇、去离子水超声清洗氧硅薄膜。
进一步地，所述介质层3材料选用六方氮化硼，将介质层3完全包覆在所述浮栅层2上，所述导电沟道层4位于所述浮栅层2的正上方。
进一步地，所述导电沟道层4材料选用石墨烯，所述导电沟道层4位于所述浮栅层2的正上方，金属电极包括分别设置在所述导电沟道层4上的源电极5和漏电极6。
实施例3
在实施例1的基础上，当改变注入栅压大小以及正负时，将产生不同的光响应大小。
如图5所示，不同的注入栅压引起不同的光响应，当栅压的绝对大小增加时，响应大小也会随之增加，这是由于栅压越大注入载流子越多，引起电流变化也就越大；当栅压变化时，光响应的方向也发生了改变，这是由于注入载流子的电性发生了改变，形成了相反的光响应。
实施例4
当固定注入栅压时，将形成一个稳定的光记忆。如图6所示，当60V正栅压注入，在经过近红外光照30秒，将形成负响应，并且光照结束后，并没有恢复至注入后的电流状态，而是保持此状态，此状态保持时间可至104秒以上，此即实现了对近红外光光的长时间记忆。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器，包括从下至上依次设置的衬底层(1)、浮栅层(2)、介质层(3)、导电沟道层(4)和金属电极，其特征在于：
所述浮栅层(2)材料为富勒烯，用于存储载流子；所述导电沟道层(4)吸收近红外光和提供导电沟道；所述介质层(3)为大带隙绝缘材料，所述介质层(3)与所述浮栅层(2)之间形成势垒，所述介质层(3)与所述导电沟道层(4)之间形成势垒。
2.根据权利要求1所述的一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器，其特征在于：
所述介质层(3)材料为六方氮化硼，所述导电沟道层(4)材料为石墨烯。
3.根据权利要求1所述的一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器，其特征在于：
所述衬底层(1)为氧硅薄膜，用于栅压输入。
4.根据权利要求3所述的一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器，其特征在于：
所述介质层(3)完全包覆在所述浮栅层(2)上。
5.根据权利要求4所述的一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器，其特征在于：
所述金属电极包括分别设置在所述导电沟道层(4)上的源电极(5)和漏电极(6)。
6.根据权利要求5所述的一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器，其特征在于：
所述栅压输入包括：在所述衬底层(1)和所述源电极(5)之间施加正向的电压时，所述浮栅层(2)中注入电子；在所述衬底层(1)和所述源电极(5)之间施加负向的电压时，所述浮栅层(2)中注入空穴。
7.一种权利要求1-6中任意一项所述的浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器的制备方法，其特征在于：包括以下内容：
S1、准备衬底层(1)，清洗所述衬底层(1)并晾干；
S2、在清洗晾干后的衬底层(1)上蒸镀上一层富勒烯薄膜作为浮栅层(2)；
S3、在所述浮栅层(2)上制备一层大带隙绝缘材料作为介质层(3)；
S4、在所述介质层(3)上制备一层导电沟道层(4)，并在所述导电沟道层(4)上蒸镀金属电极，完成器件制备。
8.根据权利要求7所述的一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器的制备方法，其特征在于：
所述衬底层(1)选用氧硅薄膜，所述S1中清洗所述衬底层(1)包括：依次使用去污剂、丙酮、乙醇、去离子水超声清洗氧硅薄膜。
9.根据权利要求7所述的一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器的制备方法，其特征在于：
所述介质层(3)材料选用六方氮化硼，将介质层(3)完全包覆在所述浮栅层(2)上，所述导电沟道层(4)位于所述浮栅层(2)的正上方。
10.根据权利要求7所述的一种浮栅控制型近红外波段双向记忆的光电存储器的制备方法，其特征在于：
所述导电沟道层(4)材料选用石墨烯，所述导电沟道层(4)位于所述浮栅层(2)的正上方，金属电极包括分别设置在所述导电沟道层(4)上的源电极(5)和漏电极(6)。
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