石墨烯基全碳忆阻器及其制备方法

本发明涉及制备半导体器件的，更具体地，涉及一种石墨烯基全碳忆阻器及其制备方法。

背景技术：

1、传统的冯·诺依曼架构在逻辑和内存之间的物理分离的基础上运行，这种架构的固有局限性促使研究者寻找更灵活、更高效的计算方式。在这个背景下，脑启发的神经形态计算系统引起了关注，其突出的特点包括高度并行的计算和卓越的能效表现。忆阻器，由于与生物突触具有显著的相似性，因此能够作为神经形态计算系统。其独特的性质使得忆阻器成为模拟神经突触学习功能的理想选择，吸引了研究者们深入探索其在人工智能领域的潜在应用。通过在忆阻器的基础上建立神经形态计算系统，其有望实现更强大、更灵活的人工智能应用，推动人工智能技术在各个领域的进一步创新。

2、目前，有多种材料相继被提出构筑忆阻神经突触，包括金属氧化物、有机物、硫族化物和钙钛矿等。大多数忆阻器是二进制的，因为它们只有两种电阻状态：高电阻状态和低电阻状态，前者认为器件处于关闭状态，后者认为器件处于导通状态。忆阻器仅有高电阻状态和低电阻状态是由于忆阻器依赖于材料本身的开关比，即在一定栅压控制下材料电流发生突变形成高电阻状态或者低电阻状态，或者利用电效应或者热效应等使得材料产生相变从而使材料电流发生突变，而可以利用的相变数量有限。

3、在大数据及人工智能发展的今天，由于数据量的增多，仅具有两种电阻状态的忆阻器无法满足更大数据量的存储。因此，亟需发展一种石墨烯基全碳忆阻器以满足更大数据量的存储。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的技术问题中的至少之一，本发明实施例提供一种石墨烯基全碳忆阻器及其制备方法，能够实现多种电阻状态，且具有切换耐久性，无需其他半导体加工工艺的再次加工。

2、根据本发明一个方面的发明构思，提供了一种石墨烯基全碳忆阻器的制备方法，包括：将第一石墨烯结构转移到衬底上，对上述第一石墨烯结构进行图形化处理，得到石墨烯沟道；利用第一电子束对涂覆在上述石墨烯沟道两侧的第一光刻胶进行诱导生长，得到碳电极；将具有上述石墨烯沟道和上述碳电极的衬底置于惰性气体气氛中进行第一次退火处理；利用第二电子束对涂覆在上述石墨烯沟道的顶部的第二光刻胶进行诱导生长，得到碳绝缘层；将第二石墨烯结构转移到上述碳绝缘层上，对上述第二石墨烯结构进行图形化处理，得到石墨烯栅极；在上述碳电极的外侧和上述石墨烯栅极上制备连接电极，并将具有上述石墨烯沟道、上述碳电极和上述石墨烯栅极的衬底置于惰性气体气氛中进行第二次退火处理，得到石墨烯基全碳忆阻器。

3、可选地，上述利用第一电子束对涂覆在上述石墨烯沟道两侧的第一光刻胶进行诱导生长，得到碳电极包括：将上述第一光刻胶涂覆在上述石墨烯沟道的两侧，并在上述第一光刻胶上蒸镀第一催化层；利用上述第一电子束对蒸镀有上述第一催化层的上述第一光刻胶进行诱导生长，去除上述第一催化层，得到上述碳电极。

4、可选地，上述第一光刻胶是通过利用有机溶剂将光刻胶进行稀释得到的，体积的稀释比的范围为光刻胶：有机溶剂=1：（10~20）。

5、可选地，上述第一次退火处理的温度范围为750℃~850℃，上述第一次退火处理的时间范围为30min~60min。

6、可选地，上述利用第二电子束对涂覆在上述石墨烯沟道的顶部的第二光刻胶进行诱导生长，得到碳绝缘层包括：将上述第二光刻胶涂覆在上述石墨烯沟道的顶部，并在上述第二光刻胶上蒸镀第二催化层；利用上述第二电子束对蒸镀有上述第二催化层的上述第二光刻胶进行诱导生长，去除上述第二催化层，得到上述碳绝缘层。

7、可选地，上述第二光刻胶是通过利用有机溶剂将光刻胶进行稀释得到的，体积的稀释比的范围为光刻胶：有机溶剂=3：（40~300）。

8、可选地，上述第二次退火处理的温度范围为250℃~350℃，上述第二次退火处理的时间范围为30min~60min。

9、可选地，上述第一电子束的能量范围为100c/m2~5000c/m2，上述第二电子束的能量范围为200c/m2~1000c/m2。

10、根据本发明另一个方面的发明构思，还提供了一种由上述方法制备得到的石墨烯基全碳忆阻器，包括：衬底；石墨烯沟道，设置在上述衬底上；两个碳电极，形成于上述衬底上，且分别位于上述石墨烯沟道的两侧，上述两个碳电极被配置为基于上述两个碳电极之间的电压差，调节上述石墨烯沟道内的电流，以改变上述石墨烯沟道的电阻状态；碳绝缘层，形成于上述石墨烯沟道上；石墨烯栅极，设置在上述碳绝缘层上，上述石墨烯栅极被配置为接收电压，控制上述石墨烯沟道内的电流的流量和流向，上述碳绝缘层被配置为维持上述石墨烯栅极和上述石墨烯沟道之间的电气隔离，以防止电流的直接流动。

11、可选地，上述石墨烯基全碳忆阻器还包括：第一连接电极，设置在上述衬底上，且位于上述碳电极的外侧；第二连接电极，设置在上述石墨烯栅极上；其中，上述第一连接电极和上述第二连接电极均被配置为与外部电路连接。

12、根据本发明实施例的一种石墨烯基全碳忆阻器及其制备方法，通过将第一石墨烯结构转移到衬底上，对第一石墨烯结构进行图形化处理，得到石墨烯沟道，利用第一电子束对涂覆在石墨烯沟道两侧的第一光刻胶进行诱导生长，得到导电性良好的碳电极，将具有石墨烯沟道和碳电极的衬底置于惰性气体气氛中进行第一次退火处理，利用第二电子束对涂覆在石墨烯沟道的顶部的第二光刻胶进行诱导生长，得到耐压性优异的碳绝缘层，将第二石墨烯结构转移到碳绝缘层上，对第二石墨烯结构进行图形化处理，得到石墨烯栅极，在碳电极的外侧和石墨烯栅极上制备连接电极，并将具有石墨烯沟道、碳电极和石墨烯栅极的衬底置于惰性气体气氛中进行第二次退火处理，得到石墨烯基全碳忆阻器，碳电极和碳绝缘层在空气中会吸附水分子，石墨烯基全碳忆阻器的掺杂性质会改变，吸水量越多，越向p掺杂的方向发展，石墨烯沟道两侧的两个碳电极被配置为基于两个碳电极之间的电压差，调节石墨烯沟道内的电流，产生的热效应可以导致碳电极和碳绝缘层中的水分蒸发，以改变石墨烯沟道的电阻状态，实现多种电导态，且具有切换耐久性，能够应用于神经形态计算。

技术特征：

1.一种石墨烯基全碳忆阻器的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用第一电子束对涂覆在所述石墨烯沟道两侧的第一光刻胶进行诱导生长，得到碳电极包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一光刻胶是通过利用有机溶剂将光刻胶进行稀释得到的，体积的稀释比的范围为光刻胶：有机溶剂=1：（10~20）。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次退火处理的温度范围为750℃~850℃，所述第一次退火处理的时间范围为30min~60min。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用第二电子束对涂覆在所述石墨烯沟道的顶部的第二光刻胶进行诱导生长，得到碳绝缘层包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二光刻胶是通过利用有机溶剂将光刻胶进行稀释得到的，体积的稀释比的范围为光刻胶：有机溶剂=3：（40~300）。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二次退火处理的温度范围为250℃~350℃，所述第二次退火处理的时间范围为30min~60min。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一电子束的能量范围为100c/m2~5000c/m2，所述第二电子束的能量范围为200c/m2~1000c/m2。

9.一种由权利要求1~8中任一项的方法制备得到的石墨烯基全碳忆阻器，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的石墨烯基全碳忆阻器，其特征在于，还包括：

技术总结
本发明提供一种石墨烯基全碳忆阻器及其制备方法，石墨烯基全碳忆阻器的制备方法包括：将第一石墨烯结构转移到衬底上，对第一石墨烯结构进行图形化处理，得到石墨烯沟道；利用第一电子束对涂覆在石墨烯沟道两侧的第一光刻胶进行诱导生长，得到碳电极；利用第二电子束对涂覆在石墨烯沟道的顶部的第二光刻胶进行诱导生长，得到碳绝缘层；将第二石墨烯结构转移到碳绝缘层上，对第二石墨烯结构进行图形化处理，得到石墨烯栅极；在碳电极的外侧和石墨烯栅极上制备连接电极，得到石墨烯基全碳忆阻器，性能稳定，能够实现多种电阻状态，且具有切换耐久性。

技术研发人员：马雷,李睿,田昊,秦佳豪
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/18