[发明专利]一种光控电容型铁电存储器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种光控电容型铁电存储器，包括自下而上依次设置的底电极、半导体层、铁电介质层、顶电极；所述半导体层的耗尽层电容状态代表了铁电存储器的存储信息；所述顶电极施加电压，半导体层中的载流子数量受光照调控与铁电介质层中的极化电荷相互响应，并改变半导体层的耗尽层电容状态。本发明利用光电调控铁电介质层的电极化状态，进而编辑半导体层的耗尽层电容状态，通过半导体层的耗尽层电容状态表征铁电存储器的存储信息，从而使存储器具有光信号感知功能和信息存储功能，且该存储器为电容型存储器，具有零静态功耗的显著优势。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种光控电容型铁电存储器及其制备方法。

背景技术

以物联网为代表的信息技术，正持续推动人类社会的信息化和智能化改革。中国信息通信研究院统计表明，截至2025年以边缘端为主题的信息感存算总量将突破163 ZB（1ZB = 1×10²¹ Byte）。因此，发展高功能集成密度、低功耗、高算力和高能效的“非冯”架构新型感存算器件及其芯片技术，已成为推动相关技术边界扩展的关键瓶颈技术。

目前实现这一突破的关键技术之一是具有感知功能的忆阻器，它能够根据感知到的刺激信号和电信号共同调制非易失性电导，为推动感知和存内计算一体化的发展起到了关键性作用。然而，忆阻器不可避免的读取电流或潜径电流会导致额外的静态功耗，严重降低了它的能效效益。为了解决这一问题，研究者提出了电容型存储器，由于该存储器为单电容结构，避免了静态功耗，所以可实现低功耗特性。尤其是基于铪基铁电材料的铁电电容型存储器因其优良的运算速度、能效、可靠性、可扩展性和CMOS兼容性，吸引着科学家们投入大量的精力来加速其实际应用。但目前针对电容型存储器的研究极其有限，并且现有的电容型存储器并不具备感知功能，阻碍了该器件在感存算技术中的应用，限制了低功耗、高效能感存算技术的发展。

发明内容

本发明的目的是针对物联网技术为代表的信息技术对于具有“长航时、低功耗、高能效和高算力”特征的边缘智能芯片的需求，提出了一种光控电容型铁电存储器及其制备方法，实现了集宽波段光感知、逻辑运算和数据存储功能于一体，且具备低功耗和高集成度特性。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种光控电容型铁电存储器，包括自下而上依次设置的底电极、半导体层、铁电介质层、顶电极；

所述半导体层的耗尽层电容状态代表了铁电存储器的存储信息；

所述顶电极施加电压，半导体层中的载流子数量受光照调控与铁电介质层中的极化电荷相互响应，并改变半导体层的耗尽层电容状态。

作为优选，所述半导体层选用P型半导体时，当向顶电极施加正向电压，在无光照情况下，半导体层无法提供足够多的载流子与铁电介质层内的极化电荷响应，此时铁电介质层中大部分的极化电荷不能发生翻转，极化状态不发生改变；有光照情况下，半导体层内部载流子浓度会提升，半导体层中的载流子与铁电介质层内的极化电荷响应，极化电荷翻转，极化状态发生改变，半导体层的耗尽层电容呈低电容状态，此时光控电容型铁电存储器的逻辑状态为“0”；

当向顶电极施加负向电压，在有光照或无光照的情况下，半导体层内都具有足够多的空穴与铁电介质层内部的极化电荷发生响应，极化电荷充分翻转，极化状态发生充分改变，半导体层的耗尽层电容呈高电容状态，此时光控电容型铁电存储器的逻辑状态为“1”。

作为优选，所述底电极和顶电极的材料采用金属钨、金属钛、金属铜、金属铝、金属铂、金属铱、金属钌、氮化钨、氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛和硅化钽中的任意一种。

作为优选，所述半导体层采用 Si、Ge、SiGe、GaN、GaAs 和 SiC 中的任意一种。