[發明專利]一種光控電容型鐵電存儲器及其制備方法

有效

• 申請號: 202211568188.0
• 申請日: 2022-12-08
• 公開（公告）號: CN115589774B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發明（設計）人: 周久人;劉艷;劉寧;韓根全;郝躍
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學杭州研究院
• 主分類號: H10N97/00
• 分類號: H10N97/00;H10B53/30
• 代理公司: 杭州匯和信專利代理有限公司 33475
• 代理人: 吳琰

本發明提供了一種光控電容型鐵電存儲器，包括自下而上依次設置的底電極、半導體層、鐵電介質層、頂電極；所述半導體層的耗盡層電容狀態代表了鐵電存儲器的存儲信息；所述頂電極施加電壓，半導體層中的載流子數量受光照調控與鐵電介質層中的極化電荷相互響應，并改變半導體層的耗盡層電容狀態。本發明利用光電調控鐵電介質層的電極化狀態，進而編輯半導體層的耗盡層電容狀態，通過半導體層的耗盡層電容狀態表征鐵電存儲器的存儲信息，從而使存儲器具有光信號感知功能和信息存儲功能，且該存儲器為電容型存儲器，具有零靜態功耗的顯著優勢。

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種光控電容型鐵電存儲器及其制備方法。

背景技術

以物聯網為代表的信息技術，正持續推動人類社會的信息化和智能化改革。中國信息通信研究院統計表明，截至2025年以邊緣端為主題的信息感存算總量將突破163 ZB（1ZB = 1×10²¹ Byte）。因此，發展高功能集成密度、低功耗、高算力和高能效的“非馮”架構新型感存算器件及其芯片技術，已成為推動相關技術邊界擴展的關鍵瓶頸技術。

目前實現這一突破的關鍵技術之一是具有感知功能的憶阻器，它能夠根據感知到的刺激信號和電信號共同調制非易失性電導，為推動感知和存內計算一體化的發展起到了關鍵性作用。然而，憶阻器不可避免的讀取電流或潛徑電流會導致額外的靜態功耗，嚴重降低了它的能效效益。為了解決這一問題，研究者提出了電容型存儲器，由于該存儲器為單電容結構，避免了靜態功耗，所以可實現低功耗特性。尤其是基于鉿基鐵電材料的鐵電電容型存儲器因其優良的運算速度、能效、可靠性、可擴展性和CMOS兼容性，吸引著科學家們投入大量的精力來加速其實際應用。但目前針對電容型存儲器的研究極其有限，并且現有的電容型存儲器并不具備感知功能，阻礙了該器件在感存算技術中的應用，限制了低功耗、高效能感存算技術的發展。

發明內容

本發明的目的是針對物聯網技術為代表的信息技術對于具有“長航時、低功耗、高能效和高算力”特征的邊緣智能芯片的需求，提出了一種光控電容型鐵電存儲器及其制備方法，實現了集寬波段光感知、邏輯運算和數據存儲功能于一體，且具備低功耗和高集成度特性。

本發明的目的是通過如下技術方案實現的：一種光控電容型鐵電存儲器，包括自下而上依次設置的底電極、半導體層、鐵電介質層、頂電極；

所述半導體層的耗盡層電容狀態代表了鐵電存儲器的存儲信息；

所述頂電極施加電壓，半導體層中的載流子數量受光照調控與鐵電介質層中的極化電荷相互響應，并改變半導體層的耗盡層電容狀態。

作為優選，所述半導體層選用P型半導體時，當向頂電極施加正向電壓，在無光照情況下，半導體層無法提供足夠多的載流子與鐵電介質層內的極化電荷響應，此時鐵電介質層中大部分的極化電荷不能發生翻轉，極化狀態不發生改變；有光照情況下，半導體層內部載流子濃度會提升，半導體層中的載流子與鐵電介質層內的極化電荷響應，極化電荷翻轉，極化狀態發生改變，半導體層的耗盡層電容呈低電容狀態，此時光控電容型鐵電存儲器的邏輯狀態為“0”；

當向頂電極施加負向電壓，在有光照或無光照的情況下，半導體層內都具有足夠多的空穴與鐵電介質層內部的極化電荷發生響應，極化電荷充分翻轉，極化狀態發生充分改變，半導體層的耗盡層電容呈高電容狀態，此時光控電容型鐵電存儲器的邏輯狀態為“1”。

作為優選，所述底電極和頂電極的材料采用金屬鎢、金屬鈦、金屬銅、金屬鋁、金屬鉑、金屬銥、金屬釕、氮化鎢、氮化鈦、氮化鉭、氧化銥、氧化釕、碳化鎢、碳化鈦、硅化鎢、硅化鈦和硅化鉭中的任意一種。

作為優選，所述半導體層采用 Si、Ge、SiGe、GaN、GaAs 和 SiC 中的任意一種。