具体实施方式

本发明的实施例可提供一种二维(2D)非易失性范德华异质结构(vdWH)存储设备，其通过位于六角氮化硼(hBN)和二碲化钼(MoTe₂)之间的人造界面态来实现。根据示例性实施例，该存储设备源自范德华异质结构的显微耦合光学和电响应，其高可靠性体现在超过10⁴s的长数据保持时间和多达100次以上的写-擦除循环次数。并且，根据示例性实施例的存储器中的存储电流可以由写入门和擦除门进行精确控制，从而证明其存储状态的可调谐性。

在示例性实施例中，可通过显微镜控制范德华异质结构的光响应和电响应来有效地调节界面态，从而造成存储器中的不同存储状态。

本发明的实施例能够实现高性能的二维非易失性范德华异质结构存储设备。

根据示例性实施例的二维的二碲化钼/六角氮化硼范德华异质结构存储设备的制造

根据示例性实施例的二碲化钼和六角氮化硼的混合结构是通过氩气氛手套箱中的干转移方法实现的。参考图1A，首先将多层六角氮化硼110薄片机械剥离到涂覆有300纳米二氧化硅电介质的硅衬底112上。在下文中，使用光学显微镜将从透明的聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底上剥离的二碲化钼114薄片对准六角氮化硼薄片。在对准之后，将聚二甲基硅氧烷薄膜膜压在二氧化硅/硅衬底110上约2分钟，随后缓慢提升，在此期间，二碲化钼114薄片转移到六角氮化硼110薄片上。转移之后，在同一手套箱中用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)116旋涂范德华异质结构(110，114)以制备设备。执行标准电子束光刻(EBL)来确定二碲化钼存储器通道和电触点，之后使用热蒸发沉积金属电极(铬/金)，例如金属电极104。在提升丙酮溶液中的聚甲基丙烯酸甲酯115层之后，将根据示例性实施例的范德华异质结构存储设备100丝焊到芯片载体上并加载到高真空室(压力约为10^-7毫巴)中用于产生特性。

根据示例性实施例的范德华异质结构存储设备的电特性

根据示例性实施例的设备在高真空室(～10^-7毫巴)中产生特性。使用安捷伦公司的产品型号为2912A的源测量单元进行电测量。使用波长为405纳米的微型激光束对存储器性能进行调节。该激光束的光强由THORLABS股份有限公司的功率计(PM 100A)进行校准。

示例性实施例的结果和分析

再次参考图1A，在根据示例性实施例的设备的制造过程中，将少量层的六角氮化硼110机械地剥离到二氧化硅/硅衬底112上，随后进行二碲化钼114薄片的干转移。金属触点(例如104)热沉积在二碲化钼114的通道上。图1C示出了在背栅场效应晶体管(FET)配置中根据示例性实施例制造的二碲化钼/六角氮化硼范德华异质结构存储设备100的光学显微镜图像。对于每对触点，例如触点104，触点105，有一个源极和一个漏极。由于触点是相互对称的，故没有对触点具体指的是哪个进行限制。下面给出的测量是使用硅/二氧化硅衬底112背面的栅极在一对触点之间一次获得的。

拉曼测量揭示了二碲化钼薄片的结晶度(图1D)，带有三个特征峰，其分别位于～172cm^-1、235cm^-1和291cm^-1处。六角氮化硼薄片在～1365cm^-1处显示出单个拉曼特征峰。图1E显示了在偏置电压V_sd＝1.0V下，六角氮化硼薄片上的原始二碲化钼晶体管在线性和对数(插图)标度上的传输曲线(I_sd-V_g)，其表现出典型的n型主导的双极传输行为。应注意的是，在反向(V_g从50V到-80V)和正向(V_g从-80V到50V)扫描下，该传输曲线显示出微弱的迟滞，这表明可以忽略在原始的二碲化钼/六角氮化硼界面上的陷阱电荷。

参考图1A和1B，然后在正栅极V_g＝50V和零偏压下使用激光束118(λ＝405nm)对存储设备100进行曝光，该过程被表示为初始化。激光束118一次精聚焦在一个通道上(在一对电极之间)。激光强度标定在200mW/cm²左右，曝光时间为2s。在初始化之后，再次在暗条件下在前后两个方向上扫描传输曲线(图2A)。有趣的是，在双向扫描过程中，传输特性表现出显著的滞后和～60V的阈值电压(V_th)漂移ΔV(即记忆窗口)，这体现了显著的记忆行为。为了进一步研究这种记忆行为，对根据示例性实施例的设备执行动态“写-擦除”处理，以将设备设置为状态“1”和状态“0”，如图2C所示。在V_sd＝1.0V和V_g＝0V下原始通道电流的读数约为～0.5μA，其被分配为状态“1”，并且与图1E中的传输特性一致。然后执行相同的初始化过程来擦除该通道电流，随后执行读数操作。输出电流显著降低至～0.15nA的低水平(图2C插图)，这表明设备处于状态“0”。电流的减少是由于电荷在初始化过程中在人造的界面态被“分散”所致。此外，在V_sd＝1.0V时，擦除电流保持不变，这说明了它的非易失性。然后使用负栅极脉冲(V_g＝-80V，持续时间为～2s)写入设备，从而将输出电流恢复到其原始电平，并且设备返回到状态“1”。为了评估存储设备中存储状态的可区分性，切换比R的计算方式如下：R＝I_written/I_erased，切换比R被定义为状态“1”和状态“0”之间的输出电流比。如图2B所示，在V_read＝0V时，R估计为～3×10³，其随着读出电压增加到～50V而逐渐衰减。大的切换比表示写入状态和擦除状态之间的显著电流差，这对于根据示例性实施例的多位数据存储应用是非常有希望的。应注意的是，对于二碲化钼/六角氮化硼范德华异质结构存储器的开发涉及根据示例性实施例的设备芯片中的微型激光束的集成。通过选择合适的材料或精心设计芯片结构[9,10]，已经实现了能够作为激光束源的高性能的光子芯片。基于这些先进的光子芯片技术，根据示例性实施例，可以将微型激光束集成到实际设备封装的存储器中。

图3A示出了在不同擦除门(V_erase从10V到50V)下的双向扫描中根据示例性实施例的范德华异质结构存储器的传输特性变化。当擦除门从10V增加到50V时，反向传输曲线保持正移，导致逐渐增大的迟滞和从～40V到～60V的记忆窗口(图3B)。这些结果说明根据示例性实施例的范德华异质结构存储器的性能可调谐特性，其通过控制擦除门来实现。除了擦除门之外，也可通过写入门来调节存储器性能，如图3C和3D所示。在存储状态“1”下输出的写入电流I_written从～3.3nA逐渐增加到～500nA，同时写入电压V_write从-10V增加到-80V，这说明写入电流I_written在广范围内的可调特性。

为了评估根据示例性实施例的范德华异质结构存储设备的可靠性，对数据保持能力和循环写-擦除耐久性进行了研究。图4a示出了在不同的存储状态“0”和“1”下，输出电流(在V_sd＝1.0V和V_g＝0V的情况下)作为高达10⁴s的等待时间的函数。应注意的是，在擦除或写入之后，存储器与输出扰动(例如电场和光)保持隔离，并且以2×10³s的固定间隔读出输出电流。尽管输出电流逐渐变化，但随着将保持时间延长到10⁴s，写入电流和擦除电流几乎保持不变。此外，切换比R仍可以保持在1.1×10³(图4b)左右的高水平，这说明在整个保持期内状态“0”和状态“1”的高可区分性。这些结果显示了根据示例性实施例的存储设备的优良的非易失性特性。写-擦除动态过程也被重复了100次，所选循环的双向传输特性如图4C所示。不同循环下的传输曲线在前后扫描方向上几乎彼此重叠，这表示根据示例性实施例的存储器的突出的可再现性。在V_read＝0V时从传输特性中提取存储状态“0”和“1”中的输出电流，在图4D中输出电流被绘制为循环次数的函数。电流在100次循环内在其相应的存储状态中表现出微弱的波动。此外，每个V_read与写入电流和擦除电流的平均值的偏差在50％以内，进一步体现了输出电流的高度可再现性。界面态辅助的范德华异质结构存储器具有强大的数据保持能力和循环耐久性，在非易失性数据存储方面展现出很大的潜力。

在另一个示例性实施例中，制造并分析二硒化钨/六角氮化硼存储器。图8A-C示出了根据示例性实施例的二硒化钨/六角氮化硼存储器的设备性能，其类似于图2A-C中的二碲化钼/六角氮化硼存储器。同样地，在正栅极V_g＝50V和零偏压下利用激光束118(λ＝405nm)对设备进行曝光，这一过程被称为初始化。激光束一次精聚焦在一个通道上(一对电极之间)。激光强度标定在200mW/cm²左右，且曝光时间为2S。初始化后，再次在暗条件下在前后两个方向上扫描传输曲线(图8A)。同样地，在双向扫描期间，传输特性表现出显著的迟滞和～77V的阈值电压(V_th)偏移ΔV(即存储器窗口)，这体现了显著的记忆行为。为了进一步研究这种记忆行为，在根据示例性实施例的设备上执行动态“写-擦除”处理，以将设备设置为状态“1”和状态“0”，如图8C所示。在V_sd＝1.0V和V_g＝0V的情况下，原始通道电流的读数为～60nA，这被指定为状态“1”。然后执行相同的初始化过程来擦除通道电流，然后执行读出操作。输出电流显著降低至～60pA(图8C的插图)的低水平，这表明该设备处于状态“0”。同样地，电流的减少是由于电荷在初始化过程中在人造界面态被“分散”所致。此外，在V_sd＝1.0V时，擦除电流保持不变，说明其无波动性。然后使用负栅极脉冲(V_g＝-80V，持续时间～2s)对设备进行写操作，从而将输出电流恢复到其原始电平，并且设备返回到状态“1”。为评估存储设备中的存储状态的可区分性，切换比R被计算为R＝I_written/I_erased，其被定义为状态“1”和状态“0”之间的输出电流比。在从正电压到负电压的扫描方向上，不同设备/材料的阈值电压V_th存在差异。在二碲化钼设备(比较图2)中，V_th约为0V，而在二硒化钨(比较图8)中，V_th约为20V。切换比R的最大值出现在V_th值处。

图5示出了根据示例性实施例说明在范德华异质结构存储设备的第一和第二状态之间切换的方法的流程图，所述范德华异质结构存储设备包括第一二维材料和第二二维材料，第一二维材料和第二二维材料之间具有界面。在步骤502中，将界面暴露于激光束之下，同时向界面施加擦除电压信号，以根据存储设备的第一存储状态创建界面态。在步骤504，向界面施加写入电压信号，以根据存储设备的第二状态来调节界面态。

范德华异质结构存储设备可包括第二二维材料，其作为场效应晶体管配置中的第一二维材料上的沟道，场效应晶体管配置包括栅极、源极和漏极，并且该方法包括以零偏压向源极和漏极之间的栅极施加擦除电压信号。

该方法还包括在源极和漏极之间以零偏压将向栅极施加写电压信号。

可将栅极设置为背栅电极。可以通过第一输出电流来表征存储设备的第一存储状态，第一输出电流具有在暗条件下在源极和漏极之间施加的读取电压。

可以通过第二输出电流来表征存储设备的第二存储状态，第二输出电流大于第一输出电流且具有在暗状态下在源极和漏极之间施加的相同的读取电压。

第一二维材料可包含六角氮化硼或其它材料，例如含有大量瑕疵的金属氧化物。

第二二维材料可包含二烯化钼或其它二维半导体，例如二硫化钼、二硒化钨。

图6示出根据示例性实施例的范德华异质结构存储设备600的示意图，该范德华异质结构存储设备600包括第一二维材料602；和第二二维材料605，其中，在存储设备600的第一存储状态中，第一二维材料602和第二二维材料605之间的界面606包括界面态，例如界面态608；并且其中，与第一存储状态相比，在存储设备600的第二存储状态中调节界面态，例如界面态608。

范德华异质结构存储设备600可以被配置为在界面606上施加擦除电压信号以将范德华异质结构存储设备600设置为第一存储状态的同时使界面606暴露于激光束。

范德华异质结构存储设备600可以被配置为在界面606上施加擦除电压信号，以将范德华异质结构存储设备600设置为第二存储状态。

范德华异质结构存储设备600可以包括第二二维材料605，其作为场效应晶体管配置中的第一二维材料602上的沟道，该场效应晶体管配置包括栅极、源极和漏极。

范德华异质结构存储设备600可以被配置成以零偏压向源极和漏极之间的栅极施加擦除电压信号。

范德华异质结构存储设备600可以被配置成以零偏压向源极和漏极之间的栅极施加写电压信号。

可将栅极设置为背栅电极。

可以通过第一输出电流表征存储设备600的第一存储状态，第一输出电流具有在暗状态下在源极和漏极之间施加的读取电压。

可以通过第二输出电流表征存储设备600的第二存储状态，第二输出电流大于第一输出电流且具有在暗状态下在源极和漏极之间施加的相同的读取电压。

第一二维材料602可包含六角氮化硼。

第二二维材料605可包含二碲化钼或二硒化钨。

图7示出了说明根据示例性实施例制造范德华异质结构存储设备的方法的流程图700。在步骤702，提供第一二维材料。在步骤704，提供第二二维材料，该第二二维材料具有位于第一二维材料和第二二维材料之间的界面，其中该界面被配置成使得在存储设备的第一存储状态下，第一二维材料和第二二维材料之间的界面包括界面态，并且使得相比于第一存储状态在存储设备的第二存储状态中调节界面态。

如上所述，在位于二碲化钼和六角氮化硼之间的人造的界面态的帮助下，提供了根据示例性实施例的非易失性范德华异质结构存储设备。动态写-擦除过程已经重复了100个循环，传输特性和输出电流的波动很小，这表明根据示例性实施例的存储设备的突出的可靠性。另一方面，在～10⁴s的保持时间中，写入和擦除的电流都可以被保持而不显著衰减，这说明了根据示例性实施例的存储器的优良的非易失性特性。本发明的实施例提供范德华异质结构中的人造和有效调节的界面态，使得实现高性能范德华异质结构存储设备成为可能，为根据各种实施例的二维电子和光电装置的设计和架构利用界面态工程技术开辟了新的机会。

本发明的实施例可以具有以下特征和相关优点中的一个或多个：

对所示系统和方法的实施例的以上描述并不意在穷举或将系统和方法限制为所公开的精确形式。虽然为了说明的目在本文描述了系统组件和方法的具体实施例和示例，但是本领域技术人员能够认识到，在系统、组件和方法的范围内可以进行各种等同修改。本文提供的系统和方法的教导可以应用于其他处理系统和方法，而不仅仅是上述的系统和方法。

本领域技术人员能够认识到，在不脱离本发明广泛描述的精神或范围的情况下，可以如具体实施例中所示对本发明进行各种变化和/或修改。因此，本实施例在所有方面都被认为是说明性的而不是限制性的。此外，本发明包括针对不同实施例所描述的特征(包括在摘要部分中描述的特征)的任何组合，即便在权利要求书或本实施例的详细描述中未明确说明该特征或特征的组合。

例如，在不同的实施例中，其它二维半导体比如二硫化钼也可以用作第二二维材料。

通常来说，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将系统和方法限制于说明书和权利要求中公开的具体实施例，而应被解释为包括在权利要求下运行的所有处理系统。因此，该系统和该方法不受本发明的限制，但是该系统和该方法的范围却是完全由权利要求确定。

除非上下文另有明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等应以包括的意义来解释，而不是排他或穷举的意义；也就是说，在“包括但不限于”的意义上，使用单数或复数的词也分别包括复数或单数。此外，词语“本文”、“下文”、“上面”、“下面”以及具有类似含义的词语是指本申请作为一个整体，而不是指本申请的任何特定部分。当单词“或”用于指两个或两个以上项目的列表时，该单词包含对该单词的以下所有解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目以及列表中的项目的任意组合。

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