一种基于二维铁电半导体的光电随机存取存储电子器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于二维铁电半导体的光电随机存取存储电子器件及其制备方法，本发明专利技术涉及光电子存储技术领域。该器件由下至上依次包括支撑衬底、绝缘衬底、漏电极、铁电介质层和源电极。本发明专利技术的器件由铁电介质层吸收波长大于带隙的光，产生光生电子空穴对，并分离至电极界面保存，以此来存储光生载流子；通过控制吸收的光子数量，可以有效的控制存储的光生电荷数量。其具有可以将探测到的光信号转换成电信号、光生载流子的存储时间较长、可以通过控制注入的光子数量决定存储容量和低功耗的特点，可有效解决现有光电存储器件集成度低、光生存储时间过短、可存储态单一和稳定性较差的技术问题，同时实现感、存、算于一体，有利于推广使用。推广使用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维铁电半导体的光电随机存取存储电子器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及光电子存储
，具体涉及一种基于二维铁电半导体的光电随机存取存储电子器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着信息技术的发展、数据量的激增，存储设备成为了人们记录信息极为重要的部分、对存储技术的要求越来越高。光电随机存取存储电子器相较于传统的随机存取存储器(RAM)，用光激发提供了一种不同于传统电激发存储单元的方法。过去几十年里，对于硅基光电存储器件已经有了广泛、深入的研究，这些器件可以将光信号转换成电信号并存储在设备中，在信息记录、逻辑运算和图像识别等方面具有极大潜力。然而，随着摩尔定律的发展，芯片的集成度越来越高，要求电子器件尺寸的进一步微缩，基于硅基工艺的光电子器件的发展受到限制。因此，在后摩尔时代开发新的原理技术光电子存储器件是解决当前存储技术发展受限的有力途径之一。
[0003]二维材料包括石墨烯、过渡金属二硫化物、六方氮化硼和黑磷等，提供了从金属、半导体到绝缘体的完整体系，具有原子级别的厚度和天然干净的范德华界面，并且表面没有悬挂键，其独特优异的光学、电学、化学和机械性能，在柔性、透明、可穿戴领域极具研究的价值。二维铁电材料的空间反演对称性破缺、正负电荷中心不重合，存在可以被电场调控、翻转的铁电极化。相较于传统铁电材料如BTO和BFO等，由于临界尺寸效应、随着厚度的减薄，其铁电性会变弱至消失；二维铁电材料如CuInP2S6、In2Se3等可以突破这一极限，在厚度减薄至数纳米仍然具有稳定的铁电极化。二维铁电材料存在不同于传统pn结和肖特基结分离光生载流子的物理机制
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铁电光伏效应，可应用在未来高密度集成的非易失性存储光电子器件领域。数十年来，已经有大量关于二维铁电半导体在光电探测、非易失性存储和突触神经形态等方面的器件研究，但是他们实现的内容都比较单一。朝着超越摩尔定律的趋势发展，要求多功能、高性能、可集成和低功耗的多样化光电存储器件，既可以实现采集数据(感)，又具备存储数据(存)和数据处理的能力(算)。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于二维铁电半导体的光电随机存取存储电子器件及其制备方法，以解决现有光电存储器件集成度低、光生存储时间过短、可存储态单一、稳定性较差和功耗较高的问题。
[0005]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种基于二维铁电半导体的光电随机存取存储电子器件，由下至上依次包括支撑衬底、绝缘衬底、漏电极、铁电介质层和源电极；其中，源电极、漏电极和铁电介质层之间的交叠区域为器件的结区。
[0006]在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进：
[0007]进一步，支撑衬底为SiO2/Si、Al2O3或石英玻璃。
[0008]进一步，支撑衬底SiO2/Si的SiO2层厚度为250
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300nm。
[0009]进一步，支撑衬底SiO2/Si的SiO2层厚度为285nm。
[0010]进一步，绝缘衬底为h
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BN。
[0011]采用上述进一步技术方案的有益效果为：用h
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BN绝缘衬底，而不直接用SiO2衬底，是为了避免SiO2的界面缺陷态对器件掺杂影响。
[0012]进一步，绝缘衬底在支撑衬底上的颜色为蓝色。
[0013]进一步，漏电极为石墨烯，漏电极厚度为3
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5层。
[0014]进一步，铁电介质层为CuInP2S6，铁电介质层的厚度为4
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80nm。
[0015]进一步，源电极为石墨烯，源电极厚度为3
‑
5层。
[0016]进一步，漏电极和源电极均为金和铬构成的双层金属电极，所述双层金属电极中上层材质为金，厚度为35
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45nm，下层材质为铬，厚度为6
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10nm。
[0017]进一步，石墨烯为金和铬构成的双层金属电极，所述双层金属电极中上层材质为金，厚度为35
‑
45nm，下层材质为铬，厚度为6
‑
10nm。
[0018]进一步，器件的漏极端和源电极端之间连接一个开关。
[0019]采用上述进一步技术方案的有益效果为：区别于传统的短路回路只能读取电路回路中的电流信号，本申请在测试回路中串联一个开关，可以实现电路开路和短路的可切换测试。第一步，断开开关，用405nm激光照射器件结区，铁电体产生的光生载流子，由于光伏效应会被分离至上下电极，此时整个回路是开路，光生电荷不能复合，会源源不断地分离至光伏器件两端电极上并保存直到饱和状态。第二步，先监测it曲线，然后闭合开关、此时电路由开路变成短路，存储在上下电极界面的光生载流子得以释放，从it曲线可以监测到一个电流信号，电流信号释放结束对时间的积分，即为光伏器件存储光生载流子的数量。该方法可推广适用于所有铁电光伏器件的光存储测试。本专利技术电子器件是以二维层状范德华铁电材料CuInP2S6作为铁电介质层、石墨烯作为上下透明电极的垂直结构平行板电容器，由铁电介质层吸收产生光生电子空穴对并分离至电极界面保存，以此来存储光生载流子；通过控制吸收的光子数量，可以有效的控制存储的电荷量。利用这种串联模拟开关的方法测试光伏器件的光电子存储，其特点是可以将探测到的光信号转换成电信号、光生载流子的存储时间较长以及可以通过控制吸收的光子数量决定存储电荷的容量，可有效解决现有光电存储器件集成度低、光生载流子存储时间过短、可存储态单一和稳定性较差等技术问题，同时实现感、存、算于一体。
[0020]本专利技术还提供上述基于二维铁电半导体的光电随机存取存储电子器件的制备方法，依次包括以下步骤：
[0021](1)通过机械剥离法将绝缘衬底剥离到支撑衬底上；
[0022](2)通过机械剥离法分别制备漏电极、源电极和铁电介质层备用；
[0023](3)采用干法转移膜将步骤(2)的漏电极转移至步骤(1)的绝缘衬底上，继续采用干法转移膜，将步骤(2)的铁电介质层转移至漏电极上，然后将步骤(2)的源电极转移至铁电介质层上，制得垂直结构平行板电容器件；
[0024](4)通过光刻在漏电极和源电极处设置掩膜图形，然后沉积双层金属电极，再进行脱胶处理，制得基于二维铁电半导体的光电随机存取存储电子器件。
[0025]进一步，步骤(1)中，当支撑衬底为Al2O3或石英玻璃时，先通过机械剥离法将绝缘
衬底剥离到SiO2/Si基底上，然后再通过干法转移膜将绝缘衬底转移至支撑衬底上。
[0026]进一步，步骤(2)中，干法转移膜为PC和PDMS复合膜。
[0027]进一步，步骤(2)中，干法转移膜通过以下方法制得：将8
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12wt％的 PC溶液滴至透明玻璃片上，制得PC膜；然后切割一片PDMS，放置在透明玻璃板的一端，再将PC膜黏附在PDMS上，制得干法转移膜。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二维铁电半导体的光电随机存取存储电子器件，其特征在于，由下至上依次包括支撑衬底、绝缘衬底、漏电极、铁电介质层和源电极；其中，源电极、漏电极和铁电介质层之间的交叠区域为器件的结区。2.根据权利要求1所述的基于二维铁电半导体的光电随机存取存储电子器件，其特征在于，所述支撑衬底为SiO2/Si、Al2O3或石英玻璃。3.根据权利要求1所述的基于二维铁电半导体的光电随机存取存储电子器件，其特征在于，所述绝缘衬底为h
‑
BN。4.根据权利要求1所述的基于二维铁电半导体的光电随机存取存储电子器件，其特征在于，所述漏电极为石墨烯，漏电极厚度为3
‑
5层。5.根据权利要求1所述的基于二维铁电半导体的光电随机存取存储电子器件，其特征在于，所述铁电介质层为CuInP2S6，铁电介质层的厚度为4
‑
80nm。6.根据权利要求1所述的基于二维铁电半导体的光电随机存取存储电子器件，其特征在于，所述源电极为石墨烯，源电极厚度为3
‑
5层。7.根据权利要求4或6所述的基于二维铁电半导体的光电随机存取存储电子器件，其特征在于，所述石墨烯为金和铬构成的双层金属电...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘富才，梁磊，邓豪，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：