一种非易失的多态电化学存储器及其加工方法技术

一种非易失的多态电化学存储器及其加工方法，存储器包括设置在衬底上的源极、漏极、栅极与电解质层；源极作为底电极，漏极作为顶电极，在源极与漏极之间设置聚合物半导体沟道形成一个正立的三明治结构；栅极设置在三明治结构的侧面，栅极与衬底的表面之间设置聚合物半导体沟道；电解质层由上至下将栅极、三明治结构及栅极与三明治结构之间的空隙覆盖和填充；栅极连接写入脉冲电路，漏极接读取脉冲电路，通过获得读取电流，计算得到存储电导值。加工方法包括使用溶液加工法沉积聚合物半导体沟道、增强沟道的沟道结晶，以及使用反应离子刻蚀法打开沟道。本发明专利技术能够在单一器件上实现多模拟态非易失存储，写入准确，结构简单，加工成本较低。本较低。本较低。

【技术实现步骤摘要】
一种非易失的多态电化学存储器及其加工方法


[0001]本专利技术属于微电子
，具体涉及一种非易失的多态电化学存储器及其加工方法。

技术介绍

[0002]人工智能技术一直是世界各国的战略研究重点，然而，目前支撑人工智能计算的硬件部分仍是基于互补金属
‑
氧化物
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硅基半导体场效应晶体管(CMOS)的计算机系统，现有的计算机系统面临如下的技术瓶颈：(1)硬件运算效率受限；(2)算法受限，目前计算机使用的算法依然基于传统的冯
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诺依曼架构，以顺序方式运行，相比于人脑神经网络的平行数据处理方法，效率较低；(3)由于数据存储单元和数据处理单元(CPU)物理分离，数据的不断调用、存储和传输很大程度上导致了该系统具有能耗高和效率低的问题。
[0003]与之相比，人工神经网络(ANN)技术基于人脑的高效、低能耗计算与存储方式，可以为人工智能提供和人脑相媲美的运算和记忆能力，即脱离传统的计算
‑
存储分离的冯
·
诺依曼架构，实现真正的计算
‑
存储一体化，是实现高级人工智能应用的基础，也是目前各国争相研究的重点战略方向。目前，绝大多数神经网络的构建是通过计算机模拟或者两端非易失性忆阻器阵列来构建人工神经网络ANN以及卷积神经网络CNN，这些忆阻器包括氧化还原忆阻器(ReRAMs)、相变材料忆阻器(PCMs)等，然而这些双端器件主要存在以下问题：有效态数少(＜6
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bit)，电导更新随机性极大，这些严重影响了神经网络的计算效率。
[0004]基于这些缺陷，研究者开发了三端的浮栅晶体管存储器(FG)和电化学存储器(ECRAM)。对于这些三端器件，虽然写入精度得到了提升，但其分别存在以下难以克服的问题：
[0005]对于浮栅存储器，其问题在于写入线性度差，写入电压较高(一般大于5V)，同时其浮栅结构也导致加工复杂度大大提高；而对于大多数的电化学忆阻器，其非易失性的必要条件之一是栅极和沟道之间的强制开路，这一条件往往需要其栅极上集成其他器件或电路(例如开关电路、场效应晶体管、导电桥存储器等)来满足，因此大大降低了其集成度，并带来了加工不兼容的问题。鉴于以上情况，业界迫切需要一种写入随机性低、线性度高、存储比特数高、存储时间长而稳定且加工成本较低的存储器用于高性能存算一体硬件。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种非易失的多态电化学存储器及其加工方法，该存储器具有特殊的器件结构以及全新的聚合物链段
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离子相互作用机理，能够在单一器件上实现多模拟态非易失存储，写入准确，结构简单，加工成本较低。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术有如下的技术方案：
[0008]第一方面，提供一种非易失的多态电化学存储器，包括衬底以及设置在衬底上的源极、漏极、栅极与电解质层；所述的源极作为底电极，所述的漏极作为顶电极，在源极与漏极之间设置聚合物半导体沟道形成一个正立的三明治结构；所述的栅极设置在三明治结构
的侧面，栅极与衬底的表面之间设置聚合物半导体沟道；所述的电解质层由上至下将栅极、三明治结构及栅极与三明治结构之间的空隙覆盖和填充；所述的栅极连接写入脉冲电路，所述的漏极连接读取脉冲电路，通过获得读取电流，以欧姆定律计算得到存储电导值。
[0009]作为优选，所述三明治结构中的源极与漏极在空间中呈90
°
交叉布置。
[0010]作为优选，所述源极与漏极之间的聚合物半导体沟道的长度为30nm～80nm，宽度为10μm～300μm，厚度为10μm～300μm，所述栅极与衬底之间的聚合物半导体沟道的长度为10μm～300μm，宽度10μm～300μm，厚度30nm～80nm；所述栅极的长度为10μm～300μm，宽度为10μm～300μm。
[0011]作为优选，所述源极、漏极以及栅极均采用可极化惰性电极，可极化惰性电极包括金与氧化铟锡中的任一种。
[0012]作为优选，所述的聚合物半导体沟道采用具有高结晶性的聚合物半导体材料形成，所述具有高结晶性的聚合物半导体材料包括PDPP3T、PBTTT、PTBT
‑
p、P(g2T
‑
TT)和BBL中的任一种。
[0013]第二方面，提供一种所述非易失的多态电化学存储器的加工方法，包括以下步骤：
[0014]在洁净的衬底上沉积金属形成源极；
[0015]使用溶液加工法在源极以及源极侧面的衬底表面沉积有机半导体制备聚合物半导体沟道；
[0016]通过高温退火工艺增强聚合物半导体沟道的沟道结晶；
[0017]在源极以及源极侧面的聚合物半导体沟道上沉积金属分别形成漏极与栅极，漏极与栅极在水平方向上留有间隙；
[0018]使用反应离子刻蚀法打开漏极与栅极之间的聚合物半导体沟道；
[0019]制备电解质层，使电解质层由上至下将栅极、三明治结构及栅极与三明治结构之间的空隙覆盖和填充，完成所述非易失的多态电化学存储器的加工。
[0020]优选的，所述的溶液加工法包括溶液剪切加工法和溶液旋涂法中的任一种；
[0021]所述的溶液剪切加工法包括：
[0022]在预热温度为30℃
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50℃的源极以及源极侧面的衬底表面前端滴加有机半导体溶液，使单晶硅片与源极以及源极侧面的衬底表面之间保持宽度为100μm～300μm的狭缝，操纵所述单晶硅片以1mm/s～40mm/s的速度刮过有机半导体溶液，形成均匀的聚合物薄膜；
[0023]所述的旋涂法包括：
[0024]将有机半导体溶液滴加在源极以及源极侧面的衬底表面上，立即以1000rpm
‑
3000rpm的转速旋转形成均匀的聚合物薄膜；
[0025]再将溶液剪切加工法和溶液旋涂法形成的聚合物薄膜置于真空环境内使溶剂完全挥发。
[0026]优选的，所述的高温退火工艺将制备好的聚合物半导体沟道在惰性气体或真空氛围内进行高温退火；
[0027]所述的反应离子刻蚀法直接利用漏极和栅极作为掩模进行刻蚀，刻蚀气体为氧气，流量为20sccm，刻蚀功率为10W～20W，刻蚀时间为180s～210s。
[0028]优选的，所述制备电解质层过程中，采用介质材料：室温离子液体：丙酮按1:4:7的质量比混匀，并以点胶机进行滴加，将栅极、三明治结构及栅极与三明治结构之间的空隙覆
盖和填充，然后置于真空环境中使丙酮完全挥发形成固态的电解质层。
[0029]优选的，所述的介质材料包括聚(偏二氟乙烯
‑
co
‑
六氟丙烯)以及聚甲基丙烯酸甲酯
‑
聚苯乙烯
‑
聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种；
[0030]所述的室温离子液体包括1
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乙基
‑3‑
甲基咪唑啉双三氟甲基磺酰本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非易失的多态电化学存储器，其特征在于，包括衬底(1)以及设置在衬底(1)上的源极(2)、漏极(4)、栅极(5)与电解质层(6)；所述的源极(2)作为底电极，所述的漏极(4)作为顶电极，在源极(2)与漏极(4)之间设置聚合物半导体沟道(3)形成一个正立的三明治结构；所述的栅极(5)设置在三明治结构的侧面，栅极(5)与衬底(1)的表面之间设置聚合物半导体沟道(3)；所述的电解质层(6)由上至下将栅极(5)、三明治结构及栅极(5)与三明治结构之间的空隙覆盖和填充；所述的栅极(5)连接写入脉冲电路，所述的漏极(4)连接读取脉冲电路，通过获得读取电流，以欧姆定律计算得到存储电导值。2.根据权利要求1所述非易失的多态电化学存储器，其特征在于，所述三明治结构中的源极(2)与漏极(4)在空间中呈90
°
交叉布置。3.根据权利要求2所述非易失的多态电化学存储器，其特征在于，所述源极(2)与漏极(4)之间的聚合物半导体沟道(3)的长度为30nm～80nm，宽度为10μm～300μm，厚度为10μm～300μm，所述栅极(5)与衬底(1)之间的聚合物半导体沟道(3)的长度为10μm～300μm，宽度10μm～300μm，厚度30nm～80nm；所述栅极(5)的长度为10μm～300μm，宽度为10μm～300μm。4.根据权利要求1所述非易失的多态电化学存储器，其特征在于，所述源极(2)、漏极(4)以及栅极(5)均采用可极化惰性电极，可极化惰性电极包括金与氧化铟锡中的任一种。5.根据权利要求1所述非易失的多态电化学存储器，其特征在于，所述的聚合物半导体沟道(3)采用具有高结晶性的聚合物半导体材料形成，所述具有高结晶性的聚合物半导体材料包括PDPP3T、PBTTT、PTBT
‑
p、P(g2T
‑
TT)和BBL中的任一种。6.一种如权利要求1
‑
5中任一项所述非易失的多态电化学存储器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：在洁净的衬底(1)上沉积金属形成源极(2)；使用溶液加工法在源极(2)以及源极(2)侧面的衬底(1)表面沉积有机半导体制备聚合物半导体沟道(3)；通过高温退火工艺增强聚合物半导体沟道(3)的沟道结晶；在源极(2)以及源极(2)侧面的聚合物半导体沟道(3)上沉积金属分别形成漏极(4)与栅极(5)，漏极(4)与栅极(5)在水平方向上留有间隙...

【专利技术属性】
技术研发人员：马伟，王世杰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：