一种基于单质碲薄膜的非易失性存储器及其制备方法

1.本发明属于铁电存储器技术领域，具体涉及一种基于单质碲薄膜的非易失性存储器及其制备方法。


背景技术：

2.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(nature electronics,2021,4,399
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404.；nature electronics,2022,5,248
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254.)，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。其中基于二维铁电材料的存储器件具有高存储密度，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(nature electronics,2020,3,581.)。传统铁电存储器结构一般包括衬底、导电层、沟道材料、铁电薄膜层、电极层、以及复杂的栅极层、可变电阻层、保护层等(nature electronics,2020,3,588
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597.)；但该结构复杂、工艺繁琐、工艺难度大、不同层之间的能量钉扎以及接触问题，对整个存储器的稳定性、极端环境适应性以及成本提出了很大的挑战。
3.器件的稳定性在未来的发展中尤为重要，受人脑及神经元递质传递结构的启发，科学家们以神经元和突触接收刺激、信息整合、脉冲发放等过程为设计灵感，构建一系列受脑启发的计算模型、器件原型和集成架构，即类脑计算或神经形态计算，为未来人工智能的发展注入强劲的驱动力。类脑计算由于其高效率、低功耗、并行计算、容错率高的特点，在自动驾驶、人工智能等方面已经崭露头角。类脑计算的进一步发展强烈依赖于硬件基础的提升。在类脑计算过程中，每一次刺激都会带来新的权重分配，在上亿次计算过程中，权重更新的准确率是决定计算准确率的关键一步。因此，作为基础硬件单元的非易失储存器结构，必须在上亿次的刺激下，保持极强的稳定性(advanced materials,2020,32,2004659.)。不幸的是，对于几乎所有类型的非易失存储器，在长达上亿次循环的高强度刺激下，元素偏析造成的存储器材料成分与晶体结构的变化，会导致器件的失效(science,2021,374(6573):1321-1322.；science,2021,374(6573):1390-1394.)，这是下一代高速存储器必须解决的一个难点。
4.因此，寻找一种新的材料，设计结构简单、稳定性好的非易失存储器是下一代高性能存算一体器件的发展方向。


技术实现要素：

5.针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于单质碲薄膜的非易失性存储器及其制备方法。本发明非易失性存储器的核心区采用在空气中具有极强的稳定性的碲烯，极大提升了存储器的稳定性以及降低了室温下存储器制备的难度，解决了传统材料以及二维材料作为存储器单元，在长循环过程中均会出现元素偏析，导致器件失效的问题。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
7.一种基于单质碲薄膜的非易失性存储器，从下至上依次为衬底、半导体沟道层和电极层；所述半导体沟道层的材料为单质碲薄膜，厚度为0.4nm-20nm。
8.进一步地，所述衬底材料为硅/二氧化硅、柔性薄膜、hfo2薄膜、氧化铝薄膜等。
9.进一步地，所述电极材料为cr/au。
10.进一步地，基于单质碲薄膜的非易失性存储器，通过面内电场或面外电场激励，实现存储写入及读出。
11.本发明还提供一种基于单质碲薄膜的非易失性存储器的制备方法，包括以下步骤：
12.步骤1.在衬底表面滴加含有单质碲薄膜的溶液，旋涂、加热烘干，即可在衬底表面制备得到单质碲薄膜的半导体沟道层；
13.步骤2.制备电极层，即可得到基于单质碲薄膜的非易失性存储器；
14.所述电极层制备于单质碲薄膜的两侧或者上下两面，为平面二极管结构电极或垂直结构二极管结构电极。
15.进一步地，步骤1中单质碲薄膜的溶液是通过将单质碲薄膜溶解到分散溶剂中，形成富碲分散液，其中，分散溶剂为无机或有机溶剂，优选为去离子水、无水乙醇、丙酮、异丙醇、三氯甲烷、n,n-二甲基甲酰胺等，单质碲薄膜的溶液中碲薄膜的浓度3.68mg/ml～0.0184mg/ml。
16.进一步地，步骤1中旋涂参数为：先50～100转/秒维持5～10秒，再300～500转/秒维持20～30秒，加热温度为80～100℃。
17.本发明的机理为：本发明中首次基于单质二维材料实现非易失铁电存储器的构建，由于单质碲具有面内及面外铁电性，并具有高达700cm2v-1
s-1
的迁移率，通过施加面内或面外电场，使得单质碲原有的极化状态实现反转，从而改变材料与电极间的肖特基势垒，使得整体电导率急速下降/上升，形成存储窗口；同时，由于单质碲具有优异的导电率及耐氧化性，从而不需要复杂的栅极层、可变电阻层、保护层，并实现铁电薄膜层和导电材料层同为单质碲薄膜；除此之外，单质碲材料在上亿次循环过程中能够实现元素不偏析，避免存储器失效。
18.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
19.1.本发明的基于单质碲薄膜的非易失性存储器的结构简单，不需要额外的材料层，诸如铁电薄膜层、顶栅层、浮栅层等结构，仅通过单质碲薄膜构成半导体沟道层代替传统器件功能，克服了传统铁电存储器结构复杂、尺寸大缺点；同时器件制备工艺简单，仅需两步即可制备得到具有存储与运算功能的存储器。
20.2.本发明非易失性存储器最薄铁电厚度即铁电特征尺寸足够小，仅为0.4nm，提高铁电存储器的存储密度；铁电存储器电流密度大(36.6微安/微米)，存储窗口大(～7个数量级)，开关比大(～7个数量级)，写入电压小(源漏电压50mv，栅压1v)。
21.3.本发明非易失性存储在空气中稳定性强，0.4nm厚度器件在室温下空气中铁电记忆能够维持16.8小时，铁电可编程状态能够维持10个月；器件在长达108次以上循环过程中，存储器单元的元素不会出现偏析，极大提升存储器准确率和循环寿命。
附图说明
22.图1为本发明基于单质碲薄膜的非易失性存储器的结构示意图。
23.图2为本发明非易失性存储器中单质碲薄膜的铁电蝶形曲线图。
24.图3为本发明实施例1得到的非易失性存储器的存储性能图。
25.图4为本发明实施例2得到的hfo2基底的非易失性存储器的存储性能图。
26.图5为本发明实施例2得到的al2o3基底的非易失性存储器的存储性能图。
27.图6为本发明实施例2得到的pet基底非易失性存储器中单层碲薄膜铁电记忆维持时间序列图。
28.图7为本发明实施例2得到的pet基底非易失性存储器在空气中放置10个月后的单层碲薄膜铁电重编程记忆图。
具体实施方式
29.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
30.一种基于单质碲薄膜的非易失性存储器，其结构示意图如图1所示，从下至上依次为衬底、半导体沟道层和电极层；所述半导体沟道层的材料为单质碲薄膜，厚度为0.4nm-20nm；所述衬底材料为硅/二氧化硅、柔性薄膜、hfo2薄膜、氧化铝薄膜等，所述电极材料为cr/au。
31.实施例1
32.一种基于单质碲薄膜的非易失性存储器的制备方法，包括以下步骤：
33.步骤1.选择si/sio2作为衬底，其中，sio2厚度为280nm，将衬底依次用丙酮、无水乙醇清洗干净；
34.步骤2.将3.68mg的单质碲薄膜溶解在10ml的水溶剂中，搅拌、混合均匀，得到单质碲薄膜溶液，然后将单质碲薄膜溶液滴加在步骤1清洗后的si/sio2衬底表面，旋涂，旋涂工艺为100转/秒维持10秒、500转/秒维持30秒，旋涂后将衬底放置于烘台上，在100℃下加热烘干；
35.步骤3.在步骤2得到的单质碲薄膜两侧采用蒸镀法制备cr/au电极层，电极层包括2nm的cr、20nm的au，即可得到非易失性存储器。
36.本实施例制备得到的非易失存储器，使用数字源表进行存储性能测试，对栅压进行循环栅电压扫描操作，器件处于低阻态，相当如写入“1”操作；器件处于高阻态，相当如写入“0”操作；采用10mv小电压进行数据读取。
37.本实施例的氧化硅基底器件中碲薄膜的铁电蝶形曲线图如图2所示，其中球形曲线为相位变化图，星形曲线为强度变化图，从球形曲线看出，相位随电压产生了180度的翻转，表明单质碲薄膜具有可翻转的铁电极化；从星形曲线看出单质碲薄膜的压电系数大小为20pm/v。
38.氧化硅基底器件存储性能图如图3所示，其中，纵坐标为源、漏电极的读取电流(id)，横坐标为栅电极施加的电压(v
gs
)。栅压(v
gs
)从-60v到60v，再回到-60v的循环过程中，出现了两个明显由极化状态变化形成的回滞曲线(1-2、3-4)，同时从图中可以看出，本发明器件具有存储性能达到7000的存储窗口，能够实现高容错误率的存储与读取。
39.实施例2
40.按照实施例1的步骤制备非易失存储器，仅将步骤1的si/sio2衬底调整为10nm厚度hfo2基底、10nm厚度al2o3基底和20μm厚的pet基底，其它步骤不变。
41.hfo2基底和al2o3基底构成的器件在单质碲薄膜两侧制备源、漏电极，衬底背面制备底电极。
42.本实施例制备得到的hfo2基底的非易失存储器的存储性能图如图4所示，源漏之间保持恒定电压(v
ds
＝0.5v)，底电极上施加变化电压(v
gs
＝-1.0～1.0～-1.0v)，在1v开启电压下，铁电存储窗口为300，开关比达7个数量级；若在50mv恒定源漏电压，2v开启电压下，铁电存储窗口高达3个数量级。
43.al2o3基底的非易失存储器的存储性能图如图5所示，在宽达60v的电压区间内，铁电存储窗口能够始终维持7个数量级，能够实现高性能存储架构。
44.pet基底的非易失存储器中单层碲薄膜铁电记忆维持时间序列图如图6所示，对器件采用pfm(压电力显微镜)，施加4v电压进行方框形状的写入。从图中可以看出，读出图形在195min能够维持完整结果，且在990分钟仍然能够读出图形，表明即使在柔性基底上，碲存储器的非易失性存储可以达到1000分钟以上。空气中放置10个月后的单层碲薄膜铁电重编程记忆图如图7所示，从图中可以看出，基于单层碲薄膜的铁电存储器仍保持非易失功能，表明了碲基存储器的高稳定性。
45.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。