一种微机电多值存储器件的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种微机电多值存储器件，包括硅衬底、分别通过硅支撑柱悬空设置在所述硅衬底上的第一石墨烯电极和执行器、设置在所述执行器端部并与第一石墨烯电极对应设置的第二石墨烯电极，所述第一石墨烯电极和第二石墨烯电极上侧均设置有金属电极，所述执行器与第二石墨烯电极绝缘连接。本发明结构简单、可靠性高、灵敏度高，数值区分度大、能耗低、抗干扰能力强。
【专利说明】一种微机电多值存储器件
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及一种使用石墨烯或者氧化石墨烯的微机电多值存储器件，属于先进半导体材料和器件领域。
[0003]
【背景技术】
[0004]存储器包括一类可以保存历史数据的设备。比如光盘，磁盘，闪存以及电脑内部的内存等等。这些设备使用不同的方法来记录数据。比如，光盘使用光的方式进行数据记录，磁盘使用磁的方式进行数据记录，内存则使用电的方式进行数据记录。所有这些方式都有一个共同点，也即基于洄滞的方法进行数据的记录，数据载体可以在“O”和“I”两种状态之间进行转换，并使得数据具有一定的保存性。实际上，洄滞特性是所有存储技术的基础，通常具有洄滞特性的材料或者机制都可以应用于存储技术。近年来，随着半导体技术研究的逐渐深入，人们提出了多值存储的方法。多值存储提出，数据除了可以处于“O”和“I”两种状态以外，还可以处于其他稳定的中间状态，也即可以处于比如“O”、“I”、“2”、“3”等等状态。假如能够实现“O”、“I”、“2”、“3”等等状态，则有可能实现三进制或者四进制等方式的运算和存储。这种运算方式可以极大的提高计算机的运算速度和存储能力。
[0005]目前，实现多值存储的方法主要是通过某些材料具有多种不同的中间状态的特性，比如Ti02，V2O5,氧化硅等等。但是这些材料具有机理不明确，稳定性欠佳等缺点，实际上难以器件化。
[0006]
【发明内容】
[0007]技术问题:本发明提供一种结构简单、可靠性高、灵敏度高，数值区分度大、能耗低、抗干扰能力强的微机电多值存储器件。
技术方案:本发明的微机电多值存储器件，包括硅衬底、分别通过硅支撑柱悬空设置在所述硅衬底上的第一石墨烯电极和执行器、设置在所述执行器端部并与第一石墨烯电极对应设置的第二石墨烯电极，所述第一石墨烯电极和第二石墨烯电极上侧均设置有金属电极，所述执行器与第二石墨稀电极绝缘连接。
[0008]进一步的，本发明器件中，所述执行器为磁致伸缩，电致伸缩，热致伸缩，场致伸缩或者单存的机械移动机构或者部件，能够在施加磁场、电压、受热、静电场或机械移动作用下产生伸缩形变，实现第一石墨烯电极和第二石墨烯电极的通断。
[0009]进一步的，本发明器件中，所述第一石墨烯电极和第二石墨烯电极为可拉伸的柔软结构。
[0010]进一步的，本发明器件中，所述第一石墨烯电极和第二石墨烯电极为多孔状、海绵状或条带波浪状的可拉伸的柔软结构。
[0011]进一步的，本发明器件中，第一石墨烯电极和第二石墨烯电极的杨氏模量大于IKPa并小于IG Pa。
[0012]进一步的，本发明器件中，第一石墨烯电极和第二石墨烯电极之间接触点的断裂强度大于5 MPa且小于1G Pa。
[0013]进一步的，本发明器件中，第一石墨烯电极和第二石墨烯电极相互趋近的过程中，两者之间能够顺次形成I个以上的接触点，第一石墨烯电极和第二石墨烯电极在相互分离的过程中，两者之间的接触点能够按照与相互趋近过程中的次序相反的次序断开。
[0014]进一步的，本发明器件中，所述第一石墨烯电极和第二石墨烯电极之间的接触点具有接触洄滞效应，每个触点产生的洄滞窗口尺寸大于0.1纳米。
[0015]进一步的，本发明器件中，所述第一石墨烯电极和第二石墨烯电极之间的多个接触点，相互趋近过程先形成的触点与其后一个触点的间距小于所述后一个触点的洄滞窗口的大小。
[0016]进一步的，本发明器件中，所述第一石墨烯电极和第二石墨烯电极之间的多个接触点，相互趋近过程先形成的第一个接触点和最后一个接触点的间距小于最后一个接触点的洄滞窗口的大小。
[0017]本发明提出使用石墨烯或者氧化石墨烯或者金作为多值存储器件的方法，利用材料特殊的机械和电学特性，构建一种基于新机制的存储器件。可以应用于多值存储的用途。
[0018]有益效果:本发明与现有技术相比，具有以下优点:
1.结构简单:只包含有两个相对的电极。其中的至少一个电极可以由压电等方式驱动。没有传统器件中的多层薄膜，上下电极的结构，具有结构较简单的特点。
2.可靠性高:本发明利用了石墨烯的形变和接触特性。石墨烯材料具有目前已知材料的最高强度，其机械性能和抗疲劳特性优异，其导电性能也优于大部分金属材料，形成的接触稳定。以上特性保证了器件具有很好的可靠性。
[0019]3.灵敏度高，数值区分度大:区别于传统的存储器件中使用电子或者空穴的移动实现数字逻辑中“开”或者“关”状态来进行的区分，本器件直接使用器件的通断进行开关数值量的存储，是实际意义上的“开-关”元件，因此其数值区分度可以非常大。
[0020]4.能耗低。传统器件在“关”状态时候仍然有电流通过，而本发明的器件由于器件的触点处于“关”状态时触点间无电流通过，所以器件能耗较低。
[0021 ] 5.抗干扰能力强:由于石墨稀材料的机械强度高，电学性质稳定，其抗干扰能力较强。另外，选用不同的驱动方式可以针对不同的外界环境进行存储而对其他干扰信号没有响应，其具有良好的选择性响应特性和较好的抗干扰能力。
【附图说明】
[0022]图1是双值存储器件的状态-位置关系图。
[0023]图2为初始状态图，对应图1中的A点的状态。
[0024]图3为电极刚接触的状态图，对应图1中的B点的状态，此时电流会产生跳变，即由状态“O”跳至状态“I”。
[0025]图4为电极进一步靠近后挤压对面的固定电极，可以对应图1中的C点的状态
图5为可动电极回到初始状态的示意图，固定的电极收到拉伸，但是电接触依然保持。
[0026]图6为二值存储状态时的示意图，两电极之间初始距离应该满足的区域(阴影部分)，此初始距离也是存储脉冲过后，存储已经完成后的最后距离。
[0027]图7为三值存储状态时的示意图，两电极之间初始距离应该满足的区域(阴影部分)，此初始距离也是存储脉冲过后，存储已经完成后的最后距离。
[0028]图8为四值存储状态时的示意图，两电极之间初始距离应该满足的区域(阴影部分)，此初始距离也是存储脉冲过后，存储已经完成后的最后距离。
[0029]图9为四值存储器件初始状态(“O”状态)的情况的示意图，其中左侧电极固定，右侧电极可动。I，2，3分别代表三个触点所在位置。
[0030]图10为四值存储器件“I”状态刚建立时候的情况示意图。
[0031]图11为四值存储器件“2”状态刚建立时候的情况示意图，此时第一触点所在的部位发生dLl应变。
[0032]图12为四值存储器件“3”状态刚建立时候的情况示意图，此时第一触点所在的部位发生dLl’应变，第二触点所在的部位发生dL2应变。
[0033]图13为四值存储器件可动电极回到初始位置时候的情况示意图，此时第一触点所在的部位发生dLl’’应变，第二触点所在的部位发生dL2’’应变，第三触点所在的部位发生dL3’’应变。
[0034]图14为四值存储器件在两个电极都具有突出触点时的一种可能结构的示意图。
[0035]图15使用银纳米线作为导电电极，石墨烯材料作为存储载体构建的存储器件。其中左侧电极固定，右侧电极由压电机构驱动。深黑色为银电极，半透明状为疏松的石墨烯。
[0036]图16两个石墨烯电极没有接触的初始状态图17两个石墨烯电极接触后稍有压缩的状态
图18两个石墨烯电极相向运动但是还未分开的状态
图19两个石墨烯电极进一步相向运动但是还未分开的状态，此时左侧电极收到拉伸图20电极接触点受到拉伸后断开图21 二值存储所对应的电流-位置关系图。
[0037]图22初始状态，两个电极未接触图23两个电极形成第一个接触
图24两个电极进一步靠近，第一个接触保持，第二个接触尚未形成图25两个电极进一步靠近，第一个接触保持，第二个接触形成图26两个电极开始离开，第一个接触保持，第二个接触断开图27两个电极进一步离开，第二个接触断开，第一个接触断开图28三值存储所对应的电流-位置关系图。
[0038]图29为本发明器件结构示意图，其中两个电极所依附的结构分开，可以单独的自由活动。
[0039]图30为本发明器件结构示意图，其中两个电极所依附的结构在一个衬底上。
[0040]图中:I为硅支撑柱、2为硅衬底、3为执行器、4为第一石墨烯电极、5为第二石墨烯电极。
[0041]
【具体实施方式】
[0042]下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
[0043]图1中，假定一个电极的位置固定，另一个电极的位置发生变化。X轴方向为两个电极靠近的方向。Y轴所示的状态可以对应于电流大小。高电流对应于状态“I”，低电流对应于状态“O”。其中箭头指示的方向对应一个周期内可动电极的移动方向。也即电极先靠近，后分开。A，B，C，D分别对应图2至图5所示意的接触状态。
[0044]图2至图5中，右侧横纹方块代表驱动机构。网纹区域代表石墨烯或者氧化石墨烯。
[0045]图15至图21为实施例一的相关示意图:其中二值存储，电极两侧均使用附着在银纳米线上的石墨烯材料，形成含有一个触点的接触结构。其中的石墨烯材料具有疏松的结构，以保证其具有合适的压缩和拉伸弹性系数。
[0046]图21至图28为实施例二的相关示意图:其中三值存储，电极两侧均使用附着在银纳米线上的石墨烯材料，形成含有一个触点的接触结构。其中的石墨烯材料具有疏松的结构，以保证其具有合适的压缩和拉伸弹性系数。
[0047]本发明的存储器件由两极构成，其中至少有一极是石墨烯或者氧化石墨烯材料。要达到好的效果，最好两个电极都是用石墨烯或者氧化石墨烯材料。两个电极应该悬空置于衬底上。电极末端与衬底固定并形成电连接。两极之间施加电压U0。初始状态时，两个电极不相互接触。器件中没有电流通过，器件处于“O”状态。石墨烯电极应该为弹簧状柔软结构，比如多孔状(如附图实施例)、海绵状、条带波浪状，不可以是常规半导体器件中使用的不可压缩、不可拉伸的结构，以保证后面操作过程所述的若干要求。同时，石墨烯应该为清洁的，不含有表面污染的材料，以使其容易形成电接触。
[0048]其中所使用的石墨烯或者氧化石墨烯材料应该加工成具有多个可用于与对面电极相接触的触点。对于只有一侧电极使用石墨烯或者氧化石墨烯材料的情况，与其相对的另一侧电极可以是表面平整的电极材料，尤其在与石墨烯或者氧化石墨烯相对的一侧可以是表面平整的电极材料。此时，为了实现单值存贮，也即“O”和“I”的存贮，石墨烯或者氧化石墨烯材料加工成只有一个触点即可，而另一侧的电极在与石墨烯或者氧化石墨烯材料触点接触后形成导电通路，此时器件处于“I”状态(注意:“O”或者“I”状态可以根据需要随意定义)；对于只有一侧电极使用石墨烯或者氧化石墨烯材料的情况，为了实现二值存贮，也即“O”、“I”和“2”的存贮，石墨烯或者氧化石墨烯材料加工成含有两个触点。当相对一侧的电极与第一个触点接触时，器件局部导通，其流入一定的电流，器件处于“I”状态。当相对一侧的电极与第二个触点接触时，器件处于“2”状态，此时第一、二个触点均与对面的电极相接触，流进器件的电流增加;依次类推可以推至更多值存储的情况。
[0049]上述不同的触点应该具有与对面电极不同的间距。比如，依次地，假设电极上第一个触点与对面电极的距离为LI，第二个触点与对面电极的距离为L2，第三个触点与对面电极的距离为L3，则应该满足Ll〈 L2〈 L3。以此类推。也即两个电极在相互靠近的过程中多个触电依次形成，相邻触点顺次形成的过程中有一定的距离差。
[0050]所使用的石墨烯或者氧化石墨烯材料应该具有良好的拉伸和压缩特性，应该具有合适的弹性系数。具体而言，假设触点的抗拉强度为Pl (其中P=Fcl/S，Fcl为触点拉伸断裂应力，S是触点接触面积)，拉伸弹性系数为kl;抗压强度为Py(其中P=Fcy/S，Fcy为触点压缩断裂应力，S是触点接触面积)，压缩弹性系数为ky，则对于单独一个触点的存储器，应该至少满足klXLl〈 Fcl。对于两个触点的存储器，应该至少满足klXL2〈 Fcl，ky X (L2-L1 )〈Fcy0
[0051]可以将两个电极都使用石墨烯或者氧化石墨烯材料，并加工成含有多个突出触点的形式，其工作原理与上面的类似。当两个电极都加工成含有多个突出触点时，不受上述第2点所述与石墨烯或者氧化石墨烯相对的一侧可以是表面平整的电极材料的限制，只需要注意使两个相对的电极的触点可以良好的接触就可。
[0052]本发明中，对于二值存储，两个石墨烯电极在发生相对移动后可以产生电接触，并形成一个接触点。接触点的导电特性和两个电极之间的距离具有洄滞特性。对于三值存储，两个石墨烯电极在发生相对移动后可以产生电接触，并依次形成第一个接触点和第二接触点。每一个接触点的导电特性和两个电极之间的距离具有洄滞特性。以此类推，可以形成其他的多值存储方式。
[0053]存储器的改写可以使两个电极中的任何一个或者两者同时的进行移动来实现。比如对于有两个触点的三值存储，要将“2”改写为“I”，则需要将第二个接触点断开而保留第一个触点即可。类似的，存储器的全部擦除(改写为“O”)也可以使用此方式使所有触点断开就可。
[0054]电极相对位置的运动可以使用压电的方式进行;或者使用热致伸缩或者磁致伸缩效应进行;或者是单纯的机械位移作用。具体而言，假设使用压电的方式进行，采用三值存储的方式，也即两次的的电极可以顺次形成两个电触点，具有“O”、“I”、“2”三种状态。其中可能的一种方式是固定一侧的电极，而另一侧的电极和压电启动端固定。当压电材料受到一个电脉冲激励并产生一个位移时，其推动右侧电极朝向左侧的电极运动，当位移使得对应于“I”状态的触点形成接触时候，由于接触形成的原位退火作用使得接触处形成一定的接触强度，这一强度可以保证当电脉冲撤掉、压电材料复位后触点处仍然保持连接着，从而可以实现“I”状态的良好的保存。类似的，当压电材料的位移使得对应于“2”状态的触点形成接触时候(此时“I”状态的触点也应该已经形成)，两个电接触触点仍然保持连接，从而可以实现“2”状态的良好的保存。
[0055]进一步的，关于接触触点的大小。基于本发明的原理，触点形成后可以提供导电的通路。因此各个接触触点可以具有相对均匀的大小，这样在不同的状态之间切换时具有均匀的导电电流变化。可以方便外电路的读取。
[0056]两个电极的初始相对距离应该位于“位置-状态关系”曲线所给出的洄滞窗口内。由于每个接触点都有自己的洄滞曲线，整体器件的洄滞曲线是几个接触点洄滞特性的叠加，则器件的洄滞窗口应该是几个接触点洄滞窗口的重叠部分对应的位置。如图6 -图8所示。本发明中器件，每个触点产生的洄滞窗口尺寸(也即图6-图8所示意的阴影区域的尺寸)大于0.1纳米。
[0057]假设二值存储使用的触点具有洄滞窗口宽度对应为dx，初始时候两个电极的距离为L，外部“I”激励导致两者距离的减少为dL，则为了实现二值存储，需要满足dL>L。
[0058]假设三值存储使用的两个触点中，第一对触点对应的洄滞窗口宽度对应为dxl，初始时候两个电极的距离为LI，外部“I”激励导致两者距离的降低为dLl;第二对触点对应的洄滞窗口宽度对应为dx2，初始时候两个电极的距离为L2，外部“2”激励导致两者距离的减少为dL2。则对第一对触点有，dLl>Ll;对第二对触点有，dL2>L2。以此类推，更多值的存储应该至少满足类似的关系。
[0059]本发明中，如果使用非电方式比如磁场(磁致伸缩)，电场(电致伸缩)，热场(场致伸缩)或者单纯的机械移动等方式进行存储，则其与传统的电存储方式有所差别。此时可以视为一种新的存储方法。其存储的是对应于磁场，电场，热场或者单纯的机械移动的大小。而读出方式是电读出方式。
[0060]本发明的其他实施例中:
1.使用杨氏模量IG Pa的石墨烯海绵制备两个电极，两个电极形成接触点的强度为lOGPa，形成的洄滞窗口寸为2纳米。则其可以用作一种微机电存储器件。
[0061]2.使用杨氏模量IK Pa的石墨烯海绵制备两个电极，两个电极形成接触点的强度为5 MPa，形成的洄滞窗口寸为100微米。则其可以用作一种微机电存储器件。
[0062]3.使用杨氏模量500K Pa的石墨烯海绵制备两个电极，两个电极形成接触点的强度为I GPa，形成的洄滞窗口寸为500微米。则其可以用作一种微机电存储器件。
[0063]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认为本发明的具体实施只局限于这些说明。应当指出:对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代、变型和改进，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，都应当视为属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种微机电多值存储器件，其特征在于，该器件包括硅衬底(2)、分别通过硅支撑柱(I)悬空设置在所述硅衬底(2)上的第一石墨烯电极(4)和执行器(3)、设置在所述执行器(3)端部并与第一石墨烯电极(4)对应设置的第二石墨烯电极(5)，所述第一石墨烯电极(4)和第二石墨烯电极(5)上侧均设置有金属电极，所述执行器(3)与第二石墨烯电极(5)绝缘连接。2.根据权利要求1所述的微机电多值存储器件，其特征在于，所述执行器(3)为磁致伸缩，电致伸缩，热致伸缩，场致伸缩或者单存的机械移动机构或者部件，能够在施加磁场、电压、受热、静电场或机械移动作用下产生伸缩形变，实现第一石墨烯电极(4)和第二石墨烯电极(5)的通断。3.根据权利要求1所述的微机电多值存储器件，其特征在于，所述第一石墨烯电极(4)和第二石墨烯电极(5)为可拉伸的柔软结构。4.根据权利要求3所述的微机电多值存储器件，其特征在于，所述第一石墨烯电极(4)和第二石墨烯电极(5)为多孔状、海绵状或条带波浪状的可拉伸的柔软结构。5.根据权利要求1、2、3或4所述的微机电多值存储器件，其特征在于，所述第一石墨烯电极(4)和第二石墨烯电极(5)的杨氏模量大于IKPa并小于IG Pa。6.根据权利要求1、2、3或4所述的微机电多值存储器件，其特征在于，所述第一石墨烯电极(4)和第二石墨烯电极(5)之间接触点的断裂强度大于5 MPa且小于1G Pa。7.根据权利要求1、2、3或4所述的微机电多值存储器件，其特征在于，所述第一石墨烯电极(4)和第二石墨烯电极(5)相互趋近的过程中，两者之间能够顺次形成I个以上的接触点，第一石墨烯电极(4)和第二石墨烯电极(5)相互分离的过程中，两者之间的接触点能够按照与相互趋近过程中的次序相反的次序断开。8.根据权利要求7所述的微机电多值存储器件，其特征在于，所述第一石墨烯电极(4)和第二石墨烯电极(5 )之间的接触点具有接触洄滞效应，每个触点产生的洄滞窗口尺寸大于0.1纳米。9.根据权利要求8所述的微机电多值存储器件，其特征在于，所述第一石墨烯电极(4)和第二石墨烯电极(5)之间的多个接触点，相互趋近过程先形成的触点与其后一个触点的间距小于所述后一个触点的洄滞窗口的大小。10.根据权利要求8所述的微机电多值存储器件，其特征在于，所述第一石墨烯电极(4)和第二石墨烯电极(5)之间的多个接触点，相互趋近过程先形成的第一个接触点和最后一个接触点的间距小于所述最后一个接触点的洄滞窗口的大小。
【文档编号】G11C13/00GK105825886SQ201610200300
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】万能
【申请人】东南大学