基于二维铁电半导体的非易失存储器及其制备方法技术

一种基于二维铁电半导体的非易失存储器，包括：衬底，柔性材料制备而成；石墨烯层，长条状，位于所述衬底上；二维半导体材料层，位于所述衬底和一部分石墨烯层之上；铁电薄膜，位于所述二维半导体材料层上；顶电极，位于铁电薄膜上；以及底电极，位于所述石墨烯层的一部分之上；所述非易失存储器的制备方法包括：先制备二维铁电单晶材料；在柔性衬底上制备石墨烯层；在所制备的石墨烯层上制备二维半导体材料层并利用所制备的铁电单晶材料制备铁电薄膜；以及制备顶电极和底电极，完成基于二维铁电半导体的非易失存储器的制备，以缓解现有技术中存储器进一步小型化后棘手的量子隧穿和散热困难等技术问题。

Non-volatile memory based on two-dimensional ferroelectric semiconductor and its preparation method

A non-volatile memory based on two-dimensional ferroelectric semiconductor includes: a substrate made of flexible materials; a graphene layer, strip-shaped, located on the substrate; a two-dimensional semiconductor material layer, located on the substrate and part of the graphene layer; a ferroelectric thin film, located on the two-dimensional semiconductor material layer; a top electrode, located on the ferroelectric thin film; and a bottom electrode, located on the substrate. The preparation method of the non-volatile memory includes: preparing two-dimensional ferroelectric single crystal material first; preparing graphene layer on flexible substrate; preparing two-dimensional semiconductor material layer on the prepared graphene layer and preparing ferroelectric thin films using the prepared ferroelectric single crystal material; and preparing top and bottom electrodes to complete two-dimensional ferroelectric semi-conductance based on two-dimensional ferroelectric half-conductance. The preparation of bulk nonvolatile memory can alleviate the technical problems of quantum tunneling and heat dissipation after further miniaturization of memory.

【技术实现步骤摘要】
基于二维铁电半导体的非易失存储器及其制备方法
本公开涉及二维半导体材料制备和铁电存储领域，尤其涉及一种基于二维铁电半导体的非易失存储器及其制备方法。
技术介绍
非易失存储器单元是数字、便携式、独立的电子学的主要成分，由于它们的小型化、低功耗和可靠数据存储非常适合解决大数据容量和集成度的问题，因此受到越来越多的关注，基于超薄二维材料的存储器已经被研究和报道，由于其优异的电学特性和存储密度，具有非常大的发展潜力，其中基于铁电材料的存储器件具有存储结构简单，高存储密度，低功耗，高存储速度，抗辐射和非破坏性读取等优点，被认为是下一代新型存储器的发展趋势，作为具有自发电极化且其极化方向可通过外电场反转的体系，铁电材料在信息存储、场效应器件、感应器件等诸多方面具有广泛的应用价值，传统的主流半导体存储器可以分为两类：易失性和非易失性。RAM类型的存储器易于使用、性能好，可是它们同样会在掉电的情况下失去所保存的数据。非易失性存储器在掉电的情况下并不会丢失所存储的数据。铁电存储器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一样，是一种非易失性的存储器。铁电存储器在这两类存储类型间搭起了一座跨越沟壑的桥梁-一种非易失性的RAM。对传统铁电材料的研究主要集中在以钙钛矿氧化物为代表的材料体系。然而，为了提高数据存储密度，通常需要利用铁电薄膜垂直方向的极化，当将这类铁电材料通过表面外延生长技术制成薄膜时，由于退极化场的作用，其铁电性在某一临界厚度下多会消失，这使得传统铁电存储器相对于基于硅基浮栅存储器而言存储密度较低，限制了铁电存储器在大规模纳米工艺的集成器件中的应用，成为了铁电随机存储器应用的瓶颈之一。随着自2004年首次实验成功得到单层石墨烯以来，人们逐渐把眼光转向具有各种独特的结构、机械和物理特性的低维层状半导体材料，目前已有上百种新的二维材料被发现并在实验上合成，它们展现出十分丰富的物理与化学性质，二维材料即使在单层下也能保持优异的电学、光学等性能，这为未来器件的进一步微型化和柔性化提供了新的机遇和材料基础。寻找具有垂直方向电极化且单层稳定的铁电材料并将其应用于非易失性铁电存储器具有重大意义。公开内容(一)要解决的技术问题本公开提供了一种基于二维铁电半导体的非易失存储器及其制备方法，以缓解现有技术中存储器进一步小型化后棘手的量子隧穿和散热困难等技术问题。(二)技术方案本公开的一个方面提供一种基于二维铁电半导体的非易失存储器，包括：衬底，柔性材料制备而成；石墨烯层，长条状，位于所述衬底上；二维半导体材料层，位于所述衬底和一部分石墨烯层之上；铁电薄膜，位于所述二维半导体材料层上；顶电极，位于铁电薄膜上；以及底电极，位于所述石墨烯层的一部分之上。在本公开实施例中，制备衬底的柔性材料包括：聚氯乙烯片、聚二甲基硅氧烷片、聚碳酸酯片、聚萘二甲酸乙二醇酯片。在本公开实施例中，所述二维半导体材料层包括：二硒化钨，二硫化钼，硒化亚锡。在本公开实施例中，所述铁电薄膜为二维材料制备而成，制备材料包括：硒化铟、碲化锡或硒化亚锗。在本公开实施例中，所述石墨烯层的层数为1至10层，厚度为0.3-4nm。在本公开实施例中，所述石墨烯层长40～50微米、宽8～10微米。在本公开实施例中，所述铁电薄膜的厚度为1～20nm。在本公开实施例中，所述顶电极和底电极的制备材料包括：Ti/Au。在本公开实施例中，所述衬底的上层为二氧化硅或氧化铝的绝缘介电层，下层为导电的n型或p型掺杂硅。在本公开的另一方面，提供一种基于二维铁电半导体的非易失存储器的制备方法，用于制备以上述所述的非易失存储器，所述制备方法，包括：步骤1：制备二维铁电单晶材料；步骤2：在柔性衬底上制备石墨烯层；步骤3：在步骤2所制备的石墨烯层上制备二维半导体材料层并利用步骤1所制备的铁电单晶材料制备铁电薄膜；以及步骤4：制备顶电极和底电极，完成基于二维铁电半导体的非易失存储器的制备。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开基于二维铁电半导体的非易失存储器及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：(1)二维铁电材料用于数据的非易失性存储，能够极大地提高铁电存储器的存储密度；(2)采用化学气相输运法和化学气相沉积的方法简单直接的获得二维铁电单晶和层状石墨烯材料，得到的晶体和薄膜结晶质量高，物理和化学性能优异，能够大规模可重复地生产；(3)所制备得到的异质结构存储单元可以达到垂直方向仅3nm的层状工艺；(4)通过干法转移直接获得石墨烯/二维薄层半导体/铁电薄膜异质结构，石墨烯与二维薄层半导体形成欧姆接触以降低接触电阻对存储性能的影响，通过改变施加在铁电薄膜两端的写入来改变铁电薄膜和二维薄层半导体材料形成的能带排布，从而改变异质结构的电阻大小，通过施加在两端的读取电压来获得其高低电阻值的变化，构成可重复写入写出的非易失阻变存储器；(5)二维铁电半导体异质结构的非易失阻变存储器具有极高的开关电阻比，达到103，正负写入电压只有4V，具有很高的实用性和应用价值。附图说明图1为本公开实施例基于二维铁电半导体的非易失存储器结构示意图。图2为本公开实施例基于二维铁电半导体的非易失存储器的制备方法流程图。图3为本公开实施例铁电硒化铟In2Se3材料的XRD衍射图谱；图4为本公开实施例利用压电力显微镜获得的10nm铁电硒化铟薄膜的电滞回线示意图；图5为本公开实施例利用压电力显微镜获得的10nm铁电硒化铟薄膜的蝴蝶曲线示意图；图6本公开实施例二维铁电半导体异质结构(石墨烯/硒化钨/硒化铟异质结)的非易失阻变存储器的IV特性曲线。【附图中本公开实施例主要元件符号说明】101-衬底；102-石墨烯层；103-二维半导体材料层；104-铁电薄膜；105-顶电极；106-底电极。具体实施方式本公开提供了一种基于二维铁电半导体的非易失存储器及其制备方法，通过原始化学材料直接生长出铁电材料，经简单的规模化转移法获得了存储密度大，开关电阻比值高，器件寿命长，能量消耗低的二维铁电半导体非易失存储器。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。在本公开实施例中，提供一种基于二维铁电半导体的非易失存储器，图1为所述非易失存储器的结构示意图，如图1所示，所述的基于二维铁电半导体的非易失存储器为垂直堆叠结构，包括：衬底101，柔性材料制备而成；石墨烯层102，长条状，位于所述衬底101上；二维半导体材料层103，位于所述衬底101和一部分石墨烯层102之上；铁电薄膜104，位于所述二维半导体材料层103上；顶电极105，位于铁电薄膜104上；以及底电极106，位于所述石墨烯层102的一部分之上。所述顶电极105和底电极106通过石墨烯层102相连；所述底电极106可完全制备在所述石墨烯层102上，也可同时制备在所述衬底101和石墨烯层102上。所述制备衬底的柔性材料包括：PVC(聚氯乙烯)片、PDMS(聚二甲基硅氧烷)片、PC(聚碳酸酯)片、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)片；所述衬底的上层为绝缘介电层二氧化硅或氧化铝，下层为导电的n型或p型掺杂硅。所述石墨烯层102的层数为1至10层，长40～50微米、宽8～10微米、厚度为0.3-4nm；所述二维半导体材料层包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二维铁电半导体的非易失存储器，包括：衬底(101)，柔性材料制备而成；石墨烯层(102)，长条状，位于所述衬底(101)上；二维半导体材料层(103)，位于所述衬底(101)和一部分石墨烯层(102)之上；铁电薄膜(104)，位于所述二维半导体材料层(103)上；顶电极(105)，位于铁电薄膜(104)上；以及底电极(106)，位于所述石墨烯层(102)的一部分之上。

【技术特征摘要】
1.一种基于二维铁电半导体的非易失存储器，包括：衬底(101)，柔性材料制备而成；石墨烯层(102)，长条状，位于所述衬底(101)上；二维半导体材料层(103)，位于所述衬底(101)和一部分石墨烯层(102)之上；铁电薄膜(104)，位于所述二维半导体材料层(103)上；顶电极(105)，位于铁电薄膜(104)上；以及底电极(106)，位于所述石墨烯层(102)的一部分之上。2.根据权利要求1所述的非易失存储器，其中，制备衬底(101)的柔性材料包括：聚氯乙烯片、聚二甲基硅氧烷片、聚碳酸酯片、聚萘二甲酸乙二醇酯片。3.根据权利要求1所述的非易失存储器，其中，所述二维半导体材料层包括：二硒化钨，二硫化钼，硒化亚锡。4.根据权利要求1所述的非易失存储器，其中，所述铁电薄膜(104)为二维材料制备而成，制备材料包括：硒化铟、碲化锡或硒化亚锗。5.根据权利要求1所述的非易失存储器，其中，所述石墨烯层(102)的层数为1至10层，厚度为0.3-4nm。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨淮，魏钟鸣，李京波，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11