基于核壳型半导体量子点的浮栅晶体管非易失性存储器研究

论文摘要

21世纪以来,随着数字和网络技术的发展,人类社会已步入信息时代。信息技术的普及正在产生大量的数据,这些数据需要非常快速地存储和访问。因此,具有非易失性、高密度存储、访问速度快和可靠耐久性的新型存储器的研究成为人们关注的焦点。其中,基于浮栅晶体管的非易失性存储器具有结构紧凑、非破坏性读取、可与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术集成等诸多优点,成为目前非易失性存储器的主流器件形式。然而,随着半导体器件集成度的进一步增加和信息技术发展对存储器不断涌现的新要求的出现,传统浮栅存储器越来越不能满足需求,新型存储器的研究成为必需。本论文主要以基于ZnSe/ZnS核-壳量子点的浮栅晶体管为研究对象,系统性的研究了量子点结构、表面修饰配体、沉积密度和晶体管绝缘介电层等因素对浮栅晶体管的非易失存储性能的影响,并通过对器件物理机制的研究阐明了在器件信息存储过程中电荷的运动过程,为构建高性能非易失性存储器提供了技术与理论知识储备。主要研究内容及成果如下:首先研究了不同类型量子点（ZnSe@ZnS-OA QDs、ZnSe@ZnS-MPA QDs、ZnSe-OA QDs、ZnSe-MPA QDs）作为电荷捕获层的浮栅晶体管存储器。实验结果表明,基于ZnSe@ZnS-OA QDs的器件具有最大149 V的存储窗口、120次稳定连续擦写和预计10年高于55%的数据保持率,表现出良好的器件性能。通过对四种不同量子点的对比研究发现,在ZnSe@ZnS-OA QDs中ZnSe核起电荷俘获中心的作用,ZnS壳层与ZnSe核形成Ⅰ型量子阱能带结构,表面较长链的OA配体具有绝缘性,ZnS壳和表面OA配体起电荷隧穿层的作用,有效地阻止自发性恢复,并允许外加偏压下的电荷隧穿。在以上实验基础上,设计了基于ZnSe@ZnS-OA QDs作为离散的电荷隧穿/捕获中心,有机铁电高介电常数材料P（VDF-TrFE-CFE）作为绝缘介电层的石墨烯光电浮栅晶体管非易失性存储器。研究了两种不同模式的存储特性:电存储/电擦除和电存储/光擦除。该器件在50 V的操作电压下实现了63.4 V的存储窗口,较大的存储窗口不仅可以实现多阶存储态,而且在进行多阶存储的实验中,每完成一次电写入操作后,都可以使用光照射器件来擦除电写入态,实现了光可复位的低功耗擦除操作。该器件还表现出优异的非易失性,预计超过10年的数据保持能力,超过100个周期的可靠循环稳定性。此外,有机高介电常数介电层的使用可以降低操作电压。本论文的研究揭示了核壳型半导体量子点在浮栅晶体管非易失性存储器中巨大的应用潜力,为该类型器件指出了一个卓有希望的发展方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 存储器简介
•   1.2 浮栅晶体管存储器
•     1.2.1 浮栅晶体管存储器的发展历史
•     1.2.2 浮栅晶体管存储器的结构与工作原理
•     1.2.3 浮栅晶体管存储器的评价参数
•   1.3 浮栅晶体管存储器存在的关键问题
•   1.4 新型浮栅晶体管非易失性存储器的研究现状
•   1.5 本论文的研究内容及意义
•     1.5.1 研究内容
•     1.5.2 研究意义
• 第2章 材料的选取与器件的制备及表征
•   2.1 引言
•   2.2 实验设备
•   2.3 实验材料
•   2.4 实验过程
•     2.4.1 器件的制备
•     2.4.2 器件的表征
•   2.5 本章小结
• 第3章 基于核壳型半导体量子点的全电擦写浮栅晶体管存储器及其物理机制研究
•   3.1 引言
•   3.2 实验部分
•     3.2.1 材料与器件制备
•     3.2.2 表征与测试
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 材料表征
•     3.3.2 器件存储特性表征
•     3.3.3 器件存储机理探讨
•   3.4 本章小结
• 第4章 基于核壳型半导体量子点和高k介电材料的浮栅型非易失性光电存储器
•   4.1 引言
•   4.2 实验部分
•     4.2.1 材料与器件制备
•     4.2.2 表征与测试
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 P（VDF-TrFE-CFE）薄膜表征
•     4.3.2 电存储器的存储特性表征
•     4.3.3 光电存储器的存储特性表征
•     4.3.4 存储器的工作机制
•     4.3.5 存储器的环境稳定性
•   4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 闫成员

导师: 林鹏

关键词: 半导体量子点,核壳量子点,非易失性存储器,浮栅晶体管,有机介电层

来源: 深圳大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,计算机硬件技术

单位: 深圳大学

分类号: O471.1;TP333

总页数: 74

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