[发明专利]基于薄膜晶体管结构的光电编程多态存储器及其制备方法

说明书

本发明属于半导体存储器技术领域，具体为一种基于薄膜晶体管结构的光电编程多态存储器及其制备方法。本发明通过在浮栅薄膜晶体管俘获层中引入多种钙钛矿量子点，实现在光电编程条件下的多态存储器。制备方法包括：将导电衬底放入原子层沉积反应腔中，控制沉积腔温度；低温原子层沉积制备氧化铝阻挡层；溶液法制备钙钛矿量子点,并均匀旋涂于阻挡层上；低温原子层沉积制备氧化铝隧穿层；磁控溅射生长IGZO沟道层，并光刻形成沟道图形；第二次光刻，电子束蒸发Ti/Au源漏电极，得到光电可编程的多态存储器。本发明可实现在电压编程过程中通过改变波长光照实现存储器的多态存储行为。本发明为多态存储、光电探测、柔性电子等领域的研究开发提供了解决思路。

技术领域

本发明属于半导体存储器技术领域，具体涉及多态存储器及其制备方法。

背景技术

随着集成电路技术的持续快速发展，人们强烈希望提高存储芯片的数据储存密度，在更加微小的芯片上储存更大量的数据与信息。另外，人工智能正逐渐发展为新一代通用技术，加快与经济社会各领域渗透融合，已处于新科技革命和产业变革的核心前沿，成为推动经济社会发展的新引擎。在人工智能领域中，物联网、社交媒体和安全设备产生了海量的数据，存储、交换和处理这些数据都需要大量的存储器，这些发展现状和趋势迫切地要求我们尽快地开发具有高存储密度的存储器技术。通常，增加单位面积芯片存储密度的途径包括进一步减小器件尺寸和增加单个器件的存储状态^[1]。前者正面临着众所周知的摩尔定律瓶颈，进一步减小器件尺寸是全行业都难以突破的技术难题。相对而言，通过增加单个器件的存储状态的方法来增加存储密度则表现出高得多的性价比，将器件存储状态从1个增加为2个，就相当于将存储密度提高了1倍。多态存储器也因此成为当下研究前沿与热点^[2]。

基于浮栅薄膜晶体管（Floating gate thin film transistors, FG-TFTs）的存储器件具有保持时间长等优势，是一类典型的非易失存储器，在闪存与移动存储设备等领域有着大量应用。近来，一些研究者报道了采用金属或半导体材料纳米晶作为FG-TFTs器件的俘获层，能使载流子互相独立地被捕获在每个器件的纳米晶俘获层中，进一步提高存储器的保持时间。然而，FG-TFTs存储器的多态存储性能仍亟待提高。一方面，基于一种俘获层材料的FG-TFTs，其记忆状态对应着俘获层的载流子密度，考虑到较长的保持时间后俘获层载流子的漏电流失等现象，一般要求器件在不同记忆状态时的俘获层载流子密度有很大的区别。比如，在Ding等研究者的近期工作中^[3,4]，将器件保持10⁵s后阈值电压差别超过1V以上的状态的才描述为不同的记忆态。另一方面，传统的电压编程的FG-TFTs存储器，其更多的记忆状态要求更高的编程/擦除电压或更长的编程/擦除时间来实现，这又与对存储器件的低功耗要求相矛盾。因此，提高FG-TFTs存储器多态存储性能是该领域的重大挑战。

钙钛矿量子点（Perovskite quantum dots, PQDs）材料是指一种新型的、具有量子尺寸效应的钙钛矿（ABX₃, X=Cl, Br, I）光电半导体材料，其表现出非常好的光吸收、光电转化性能与极高的量子荧光产率，在太阳能电池、发光二极管、光探测器等方面有巨大的应用前景^[5,6]。更重要的是，当对该材料中的元素如卤素进行不同比例的Cl, Br, I之间的复合时，其能带结构能在大范围内（光吸收峰从紫外到红外光）精细地被调控，从而给出一系列物理与化学性能类似而能带不同的纳米材料^[7,8]。目前，将PQDs应用于存储器件的研究较少。在仅有的相关报道中，Chen等研究者^[9]将一种MAPbBr₃ 的PQD材料与聚苯乙烯（PS）复合薄膜置于有机半导体与氧化硅介电层之间，使MAPbBr₃能俘获有机半导体的载流子，探索了器件的光致记忆性能。虽然这种器件不是真正意义上的FG-TFT，旋涂制备的MAPbBr₃/PS复合薄膜厚度较厚且难以精确控制，但该工作初步证实了采用PQDs作为FG-TFTs存储器俘获层的可行性和巨大潜力。