光擦除和读取的铁电隧道结存储单元及其擦除和读取方法技术

本发明专利技术属于信息存储技术领域，具体涉及一种光擦除和读取的铁电隧道结存储单元及其擦除和读取方法。包括依次堆叠的衬底、半导体下电极、铁电超薄膜和二维材料半导体上电极，半导体下电极位于衬底和铁电超薄膜之间，铁电超薄膜位于二维材料半导体上电极和半导体下电极之间，铁电超薄膜厚度为0.4nm‑10nm，半导体下电极的厚度为10nm‑80nm，二维材料半导体上电极的厚度为0.1nm‑20nm。本发明专利技术解决了现有技术中使用电场和力来进行存储态控制的铁电隧道结,导致电路模块设计复杂，不能达到工业化应用要求的问题。

【技术实现步骤摘要】
光擦除和读取的铁电隧道结存储单元及其擦除和读取方法
本专利技术属于信息存储
，具体涉及一种光擦除和读取的铁电隧道结存储单元及其擦除和读取方法。
技术介绍
铁电隧道结是一种以铁电超薄膜为势垒层在两面夹以电极的异质结构。2005年KohlstedtH.(Theoreticalcurrent-voltagecharacteristicsofferroelectrictunneljunctions[J],Phys.Rev.B,2005,72:125341)等提出了铁电隧道结(FTJ)的概念。FTJ概念的提出对铁电超薄膜的应用及理论研究提出了新的挑战。其具有两个最明显的特性是隧穿效应和电阻翻转效应。当前的薄膜制备技术可以使薄膜以原子尺度生长，甚至可以使铁电超薄膜只有几个晶胞的厚度，使FTJ成为现实。一直以来，铁电隧道结的存储态的擦除都是基于电场(TunnelingElectroresistanceEffectinFerroelectricTunnelJunctionsattheNanoscale,NanoLett.,2009,9(10):3539–3543)或者力(Mechanically-InducedResistiveSwitchinginFerroelectricTunnelJunctions[J],NanoLett.,2012,12(12):6289–6292)来实现，读取则是通过电压脉冲的方式来实现的。使用电场擦除和读取，需要复杂的读写电路设计和保护电路设计，甚至只能通过导电探针来进行操作，而电场操控本身也需要极大的电路模块来实现，极大的影响了铁电隧道结存储模块的小型化。使用力来擦除铁电隧道结的存储态虽然能够缩小铁电隧道结存储模块的面积或者体积，但是在微型化电子器件当中，可实现性较小，目前还只能是基于实验室中的压电原子力显微镜的探针擦除来实现该想法，并且还需要额外的电场操作来进行存储态的读取。总之，目前使用电场和力来进行存储态控制的铁电隧道结由于复杂的电路模块设计等原因，还不能达到工业化应用要求。
技术实现思路
本专利技术提供一种光擦除和读取的铁电隧道结存储单元及其擦除和读取方法，以解决现有技术中使用电场和力来进行存储态控制的铁电隧道结导致电路模块设计复杂，不能达到工业化应用要求的问题。第一方面，提供一种光擦除和读取的铁电隧道结存储单元,包括依次堆叠的衬底、半导体下电极、铁电超薄膜和二维材料半导体上电极,其特征在于，所述半导体下电极位于所述衬底和所述铁电超薄膜之间，所述铁电超薄膜位于所述二维材料半导体上电极和所述半导体下电极之间；所述的铁电超薄膜厚度为0.4nm-10nm，所述半导体下电极的厚度为10nm-80nm，所述二维材料半导体上电极的厚度为0.1nm-20nm；所述半导体下电极由钌酸锶、掺杂钛酸锶、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶、氧化铟锡中的一种或者几种薄膜叠加构成；所述二维材料半导体上电极为二硫化钼、硫化锡、硫化锗、硫化钨、硫化镓、硫化镉中的一种或者几种薄膜叠加构成。作为本专利技术第一方面的优选方式，所述铁电超薄膜是由锆掺杂氧化铪、钇掺杂氧化铪、硅掺杂氧化铪、铝掺杂氧化铪、钆掺杂氧化铪、钛酸铅、钛酸锆铅、铁酸铋、掺杂铁酸铋、钛酸钡、掺杂钛酸钡、铁酸镥、掺杂铁酸镥、铁酸镓、掺杂铁酸镓中的任意一种材料构成。作为本专利技术第一方面的优选方式，所述半导体下电极和所述二维材料半导体上电极的禁带宽度不相等且均小于所述铁电超薄膜的禁带宽度。作为本专利技术第一方面的优选方式，所述半导体下电极和所述二维材料半导体上电极不同时为n型半导体且不同时为p型半导体。第二方面，提供一种光擦除和读取的铁电隧道结存储单元的擦除和读取方法，所述光擦除和读取的铁电隧道结存储单元通过控制光辐照时光子能量和光强来实现存储态的擦除和读取。作为本专利技术第二方面的优选方式，所述光擦除和读取的铁电隧道结存储单元存储态擦除时光子能量大于所述半导体下电极和所述二维材料半导体上电极的禁带宽度，且小于所述铁电超薄膜的禁带宽度。作为本专利技术第二方面的优选方式，通过控制光辐照时光子能量和光强使所述光擦除和读取的铁电隧道结存储单元中产生隧穿电流，通过读取隧穿电流来实现存储态的读取。作为本专利技术第二方面的优选方式，所述读取时光辐照的光子能量介于所述半导体下电极的禁带宽度和所述二维材料半导体上电极的禁带宽度之间。本专利技术的有益效果在于：通过对铁电隧道结的结构进行设计，可以实现使用光辐照来实现铁电隧道结存储态的擦除和读取，简化了铁电隧道结应用过程中的复杂电路模块，同时由于光比电场和力的反应速度更加快捷、能耗更低，使铁电隧道结的写-读速度进一步提高，能耗进一步降低。另外，使用光辐照来控制铁电隧道结的擦除、读取可以避免由于电场、力的不稳定使铁电隧道结击穿或者结构受损，提高了数据存储的安全性，而存储电路的简化则对铁电隧道结存储密度的提高有着积极的作用。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例的截面结构示意图；图2为本专利技术实施例的擦除或读取方式示意图；图3为本专利技术实施例的读取测试结果示意图。其中，11、衬底，12、半导体下电极，13、铁电超薄膜，14、二维材料半导体上电极，15擦除-读取光源。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。本专利技术实施例公开了一种光擦除和读取的铁电隧道结存储单元，包括依次堆叠的衬底11、半导体下电极12、铁电超薄膜13和二维材料半导体上电极14,半导体下电极12位于衬底11和铁电超薄膜13之间，铁电超薄膜13位于二维材料半导体上电极14和半导体下电极12之间，其中铁电超薄膜13厚度范围可在0.4nm-10nm，半导体下电极12的厚度范围可在10nm-80nm，二维材料半导体上电极14的厚度范围可在0.1nm-20nm。将铁电超薄膜13的厚度范围控制在0.4nm-10nm范围内，是为保证铁电超薄膜在具有良好铁电性能的前提下，能够读取数据时隧穿电流能够被准确地识别，同时写入/读取时光能够穿过铁电超薄膜作用于半导体下电极；而半导体下电极12的厚度范围控制在10nm-80nm内，除为了保证其具有良好地导电性之外，还为了阻止半导体下电极内部应变的释放，以防止影响铁电超薄膜的铁电性能；二维材料半导体上电极14的厚度范围控制在0.1nm-20nm，是为了保证二维材料半导体上电极的透光性，同时也保证内建电场作用于界面处，而非只作用于二维材料半导体上电极的内部。并且半导体下电极12和二维材料半导体上电极14不同为n型半导体且不同为p型半导体材料，二者的禁带宽度不同且都小于铁电超薄膜13的禁带宽度。半导体下电极12的材料可由钌酸锶、掺杂钛酸锶、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶、氧化铟锡中的一种或者几种薄膜叠加构成；二维材料半导体上电极14的材料可由二硫化钼、硫化锡、硫化锗、硫化钨、硫化镓、硫化镉中的一种或者几种薄膜叠加构成；铁电超薄膜13的材料可由锆掺杂氧化铪、钇掺杂氧化铪、硅掺杂氧化铪、铝掺杂氧化铪、钆掺杂氧化铪本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光擦除和读取的铁电隧道结存储单元,包括依次堆叠的衬底、半导体下电极、铁电超薄膜和二维材料半导体上电极,其特征在于，所述半导体下电极位于所述衬底和所述铁电超薄膜之间，所述铁电超薄膜位于所述二维材料半导体上电极和所述半导体下电极之间；所述铁电超薄膜厚度为0.4nm‑10nm，所述半导体下电极的厚度为10nm‑80nm，所述二维材料半导体上电极的厚度为0.1nm‑20nm；所述半导体下电极由钌酸锶、掺杂钛酸锶、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶、氧化铟锡中的一种或者几种薄膜叠加构成；所述二维材料半导体上电极为二硫化钼、硫化锡、硫化锗、硫化钨、硫化镓、硫化镉中的一种或者几种薄膜叠加构成。

【技术特征摘要】
1.一种光擦除和读取的铁电隧道结存储单元,包括依次堆叠的衬底、半导体下电极、铁电超薄膜和二维材料半导体上电极,其特征在于，所述半导体下电极位于所述衬底和所述铁电超薄膜之间，所述铁电超薄膜位于所述二维材料半导体上电极和所述半导体下电极之间；所述铁电超薄膜厚度为0.4nm-10nm，所述半导体下电极的厚度为10nm-80nm，所述二维材料半导体上电极的厚度为0.1nm-20nm；所述半导体下电极由钌酸锶、掺杂钛酸锶、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶、氧化铟锡中的一种或者几种薄膜叠加构成；所述二维材料半导体上电极为二硫化钼、硫化锡、硫化锗、硫化钨、硫化镓、硫化镉中的一种或者几种薄膜叠加构成。2.根据权利要求1所述的光擦除和读取的铁电隧道结存储单元，其特征在于，所述铁电超薄膜是由锆掺杂氧化铪、钇掺杂氧化铪、硅掺杂氧化铪、铝掺杂氧化铪、钆掺杂氧化铪、钛酸铅、钛酸锆铅、铁酸铋、掺杂铁酸铋、钛酸钡、掺杂钛酸钡、铁酸镥、掺杂铁酸镥、铁酸镓、掺杂铁酸镓中的任意一种材料构成。3.根据权利要求1所述的光擦除和读取的铁电隧道结存储单元，其特征在于，所述半导体下电极和所述二维材料半导体上电极的禁带宽...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯鹏飞，钟向丽，张溢，王金斌，郭红霞，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43