科研进展丨基于光敏介质的新型光电存储结构设计及其实现技术

2023-09-25
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光电存储器件是将光的信息转换为电信号并进行存储的一类新型器件。相比于传统的闪存器件,额外的控制端——光的加入赋予了光电存储器件新的调控维度,因此会带来一些新的、迷人的器件特性。一方面,我们可以通过调控光的波长、脉宽、强度、脉冲数甚至偏振去实现不同电阻态的存储,因此光电存储器件在多态存储领域具有巨大的优势,尤其是在当前大数据时代背景下,多态存储器件的研究有很大潜力缓解当前的存储压力;另一方面,当前摩尔定律逐渐达到了微缩的极限,而器件的功能多样化将主要是下一步半导体路线的发展方向。比如集传感、存储和计算于一体的集成器件有望使传感芯片摆脱传统的冯诺依曼架构,极大提高处理效率和降低能量消耗,光电存储器件具有天然的感存(算)一体功能,因此在人工视觉芯片领域也有巨大的应用市场。

当前光电存储器件的研究仍处于起步阶段,主要存在着编程电压高(> 20 V)、编程光强大(> 1mW cm-2)和移植性差等问题。其中移植性差问题主要来源于当前大多器件的光敏层即沟道层,其性能严重依赖于沟道的设计,因此限制了它们在不同材料芯片上的拓展应用(比如光致变色材料只能应用在有机物半导体芯片,而很难移植到硅基芯片),而编程电压高和编程光强大则主要是由底层浮栅存储/擦除电子的实现原理引起。

为了解决当前面临的问题,松山湖材料实验室氧化物半导体团队的梅增霞研究员和朱锐博士提出了一种基于光敏介质的全新光电存储器件结构。借鉴闪存的结构,在保留浮栅的同时,该团队用传统的栅介质层取代了隧穿介质层,将光敏层放到了上面常规介质层的位置(图1)——通过光脉冲调控光敏介质层的绝缘特性和光敏特性即可实现数据的擦写和存储;另外,在该结构中只需提供一个小的栅压去明确光生载流子的运动方向即可,因此光生载流子的存储利用率也得到了极大的提高。这一设计完全改变了传统闪存结构中载流子注入/离开浮栅的方式和方向,因此巧妙摆脱了器件性能对沟道层的依赖。可以看到,该创新设计可从根本原理上解决器件能耗高和移植性差等问题。

光敏介质层的选择和可控制备是实现该设计的核心。研发团队基于多年的氧化物半导体材料及器件研究经验,选择了非晶氧化镓作为光敏介质层制备了最终的光电存储器件。器件的最大操作电压和光功率密度均实现了大幅度的降低(4 V和160 μW cm-2),同时也实现了优异的存储特性、疲劳特性和多态存储特性(图2、图3)。

这一创新的器件结构和工作机制可以移植到与光刻兼容的任何晶体管上,如应用到Si基晶体管上,以实现高性能固态存储;应用到有机或二维材料基晶体管上,以实现柔性存储;还可用于同时兼顾传感和存储的多功能传感研究领域。相关研究成果以“Non-volatile optoelectronic memory based on a photosensitive dielectric”为题发表在Nature Communications上,并被推荐为Feature Article。上述研究工作得到了松山湖材料实验室前沿团队项目、广东省粤莞联合基金、国家自然科学基金等支持。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-40938-y

图1 基于光敏介质的光电存储和闪存的结构及擦写方式和原理对比

图2 器件结构及存储性能

图3 器件的多态存储性能

 

 

撰稿:氧化物半导体团队