近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器及其制备方法

摘要

本发明公开了近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器及其制备方法，从上至下依次包括：源漏电极、半导体层、隧穿层、浮栅层、阻挡层、栅极和基底；其中，所述半导体层由ZnO制成，所述浮栅层由上转换荧光纳米颗粒制成。本发明利用上转换荧光纳米颗粒在近红外光作用下发出紫外光，ZnO半导体吸收紫外光产生载流子，在电场作用下，产生的载流子被捕获在浮栅层中。在这个过程中，近红外光间接增加了可被捕获的载流子数目，有效增强了存储器存储窗口并且实现了多比特存储。同时，本发明利用价格低廉的ZnO作为存储器半导体层，显著降低了存储器价格。相比传统晶体管型存储器，本发明所述的存储器不仅性能可以明显提高，成本也显著降低。

说明书

技术领域

本发明涉及晶体管型存储器领域，尤其涉及一种近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器及其制备方法。

背景技术

随着信息技术的飞速发展，人们对保存信息数据的元器件要求越来越高，不但需要器件体积小、存储容量大、读写速度快，而且还要求所需材料成本低等特点。在这种条件下，无毒且价格低廉的ZnO便进入人们视野。

ZnO是一种重要的半导体材料，有着良好的电学和光学性能，并且具有化学稳定性好，环境友好，材料成本低等特点，在薄膜晶体管，太阳能电池，传感器等方面具有广阔的应用前景。同时，鉴于晶体管型存储器是一种长寿命的非易失存储器（在断电情况下仍能保持所存储的数据信息），具有结构简单、高密度、低功耗、低成本、高可靠性等优点。因此，制备ZnO基的晶体管型存储器便成为一种理想的方案。

然而，由于ZnO禁带宽度较大，室温下为3.37eV，相比于常用的Si（Eg=1.12 eV）电学性能比较差，不宜作为晶体管型存储器半导体沟道材料。大量研究已经证明，通过掺杂In和Ga，可以有效提高ZnO中载流子数目。已经报道的ZnO基晶体管型存储器包括：（1）以In和Ga掺杂的ZnO（IGZO）为沟道材料制备晶体管型存储器；（2）以仅有In掺杂的ZnO (IZO)的沟道材料制备晶体管型存储器，避免了有毒元素Ga的使用；（3）紫外光增强的ZnO基阻变存储器(RRAM)，本技术是基于ZnO可以通过吸收紫外光，产生光生载流子，结果证明紫外光照射同样可以改善ZnO的电学性能。上述方法都有效提高了ZnO基晶体管型存储器的存储性能。

上述研究主要集中在通过掺杂和紫外光照射来改善ZnO基晶体管型存储器的性能，但是掺杂的方法提高了材料制作难度和成本，紫外光照射增强的方法中的紫外光对人体伤害性较大，在可穿戴电子设备的应用具有一定局限性。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器及其制备方法，旨在解决现有的ZnO基晶体管型存储器应用有局限性以及制作难、成本高的问题。

本发明的技术方案如下：

一种近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器，从上至下依次包括：源漏电极、半导体层、隧穿层、浮栅层、阻挡层、栅极和基底；其中，所述半导体层由ZnO制成，所述浮栅层由上转换荧光纳米颗粒制成。

所述的近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器，其中，所述隧穿层和所述阻挡层的材料均为介电材料，所述栅极的材料为银，所述基底的材料为柔性PET。

所述的近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器，其中，所述介电材料为Al₂O₃。

所述的近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器，其中，所述半导体层的厚度为15-25nm。

所述的近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器，其中，所述上转换荧光纳米颗粒的尺寸为10-50nm。

所述的近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器，其中，所述上转换荧光纳米颗粒采用以下组分制成： NaYF₄、Yb³⁺、Er³⁺/Tm³⁺。

所述的近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器，其中，所述NaYF₄、Yb³⁺和Er³⁺/Tm³⁺的摩尔比满足如下条件：

NaYF₄：（Yb³⁺+>3+/Tm³⁺）=5:1；>3+：>3+/Tm³⁺=（10-40）:1。

一种如上所述的近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器的制备方法，包括：

步骤A、利用溶胶凝胶法制备上转换荧光纳米颗粒；

步骤B、利用溶液法制备ZnO;

步骤C、依次将栅极材料蒸镀到基底上形成栅极，将阻挡层材料沉积到栅极上形成阻挡层，将上转换荧光纳米颗粒沉积到阻挡层上形成浮栅层，将隧穿层材料沉积到浮栅层形成隧穿层，将ZnO沉积到隧穿层上形成半导体层，最后在半导体层上沉积源漏电极，得到近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器。

所述的近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器的制备方法，其中，所述步骤A具体包括：

步骤A01、将Y的无机盐、Yb的无机盐、Er的无机盐/Tm的无机盐溶于油酸和1-十八烯的混合溶液中，在160℃下保温半小时，再降到室温；

步骤A02、将氢氧化钠和氟化铵溶于甲醇中，然后滴入经所述步骤A01处理后的溶液中；

步骤A03、将经所述步骤A02处理后的溶液蒸馏除去甲醇，然后在惰性气体气氛中，在300℃下保温1小时，制备得到上转换荧光纳米颗粒。

所述的近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器的制备方法，其中，所述步骤A01中，所述无机盐为硝酸盐或氯化盐。

有益效果：本发明提供了一种如上所述的近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器，利用上转换荧光纳米颗粒在近红外光作用下发出紫外光，ZnO半导体吸收紫外光产生载流子，在电场作用下，产生的载流子被捕获在浮栅层中。在这个过程中，近红外光间接增加了可被捕获的载流子数目，有效增强了存储器存储窗口并且实现了多比特存储。同时，本发明利用价格低廉的ZnO作为存储器半导体层，显著降低了存储器价格。相比传统晶体管型存储器，本发明所述的存储器不仅性能可以明显提高，成本也显著降低。

附图说明

图1为本发明的一种ZnO基晶体管型存储器较佳实施例的结构示意图；

图2为本发明的一种ZnO基晶体管型存储器另一较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种如图1所示的近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器的较佳实施例，从上至下依次包括：源漏电极1、半导体层2、隧穿层3、浮栅层4、阻挡层5、栅极6和基底7。

其中，半导体层由ZnO制成，半导体层的厚度为15-25nm，优选为20nm。太薄不能形成导电通道，太厚影响电极对载流子的注入。ZnO半导体层能够吸收紫外光产生载流子。

所述隧穿层和阻挡层的材料均为介电材料，例如Al₂O₃。

所述浮栅层由上转换荧光纳米颗粒制成，可以在近红外光作用下发出紫外光。所述上转换荧光纳米颗粒采用以下组分制成：基质材料NaYF₄、敏化剂Yb³⁺、激活剂Er³⁺或Tm³⁺。并且所述基质材料、敏化剂和激活剂的摩尔比满足如下条件，基质材料：（敏化剂+激活剂）=5:1；敏化剂：激活剂=（10-40）:1，优选为20:1，调整Yb与Er/Tm的浓度可以调节上转换荧光纳米颗粒的发光波长。上转换荧光纳米颗粒的尺寸为10-50nm，纳米颗粒的尺寸太大会影响半导体薄膜质量，降低器件性能。

所述栅极的材料可以为但不限于银。

所述基底的材料可以为但不限于柔性PET。

本发明利用上转换荧光纳米颗粒在近红外光作用下发出紫外光，ZnO半导体吸收紫外光产生载流子，在电场作用下，产生的载流子被捕获在浮栅层中。在这个过程中，近红外光间接增加了可被捕获的载流子数目，有效增强了存储器存储窗口并且实现了多比特存储。同时，本发明利用价格低廉的ZnO作为存储器半导体层，显著降低了存储器价格。相比传统晶体管型存储器，本发明所述的存储器不仅性能可以明显提高，成本也显著降低。

本发明还提供了一种如上所述的近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器的制备方法，包括：

步骤A、利用溶胶凝胶法制备上转换荧光纳米颗粒，具体包括：

步骤A01、Y的硝酸盐、Yb的硝酸盐、Er的硝酸盐/Tm的硝酸盐溶于油酸和1-十八烯的混合溶液中，在160℃下保温半小时，再降到室温；其中，Y：（Yb + Er/Tm）=5:1；Yb：Er/Tm=20:1，上述硝酸盐也可以用氯化盐替代。

步骤A02、将氢氧化钠和氟化铵溶于甲醇中，然后将其滴入经所述步骤A01处理后的溶液中。

步骤A03、将经所述步骤A02处理后的溶液蒸馏除去甲醇，然后在惰性气体气氛中，在300℃下保温1小时，制备得到上转换荧光纳米颗粒。

步骤B、利用溶液法制备ZnO。

步骤C、依次将银蒸镀到基底上形成栅极，将Al₂O₃沉积到栅极上形成阻挡层，将上转换荧光纳米颗粒沉积到阻挡层上形成浮栅层，将Al₂O₃沉积到浮栅层形成隧穿层，将ZnO沉积到隧穿层上形成半导体层，最后在半导体层上沉积金形成源漏电极，得到近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器。

本发明还提供了另外一种如图2所示的近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器的另一较佳实施例, 从上至下依次包括：源漏电极1、半导体层2、浮栅层8、阻挡层5、栅极6和基底7。

其中，所述浮栅层8由SiO₂包覆的上转换荧光纳米颗粒制成，其它各层材料以及制备方法如前所示，不在赘述。本实施例通过SiO₂包覆的上转换荧光纳米颗粒制成浮栅层8取代前述实施例中的隧穿层3和浮栅层4，进一步优化了本发明的近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器结构及制备方法。

需说明的是，本发明不限于前述近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器，半导体层中的ZnO还可采用其它可吸收紫外光产生载流子的半导体代替，例如TiO₂。

下面通过实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器的制备方法，包括：

步骤A’、利用溶胶凝胶法制备上转换荧光纳米颗粒；

步骤B’、利用溶液法制备ZnO;

步骤C’、依次将银蒸镀到PET基底上形成栅极，将Al₂O₃沉积到栅极上形成阻挡层，将上转换荧光纳米颗粒沉积到阻挡层上形成浮栅层，将Al₂O₃沉积到浮栅层形成隧穿层，将ZnO沉积到隧穿层上形成半导体层，半导体层厚度为20nm，最后在半导体层上沉积金形成源漏电极，得到近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器；

所述步骤A’具体包括：

步骤A01’、按如下摩尔比将Y的硝酸盐、Yb的硝酸盐、Er的硝酸盐/Tm的硝酸盐溶于油酸和1-十八烯的混合溶液中，在160℃下保温半小时，再降到室温；其中，Y：（Yb + Er/Tm）=5:1；Yb：Er/Tm=20:1；

步骤A02’、将氢氧化钠和氟化铵溶于甲醇中，然后将其滴入经所述步骤A01’处理后的溶液中；

步骤A03’、将经所述步骤A02’处理后的溶液蒸馏除去甲醇，然后在惰性气体气氛中，在300℃下保温1小时，制得尺寸为10-50nm的上转换荧光纳米颗粒。

综上所述，本发明提供了如上所述的近红外光增强的ZnO基晶体管型存储器，利用上转换荧光纳米颗粒在近红外光作用下发出紫外光，ZnO半导体吸收紫外光产生载流子，在电场作用下，产生的载流子被捕获在浮栅层中。在这个过程中，近红外光间接增加了可被捕获的载流子数目，有效增强了存储器存储窗口并且实现了多比特存储。同时，本发明利用价格低廉的ZnO作为存储器半导体层，显著降低了存储器价格。相比传统晶体管型存储器，本发明所述的存储器不仅性能可以明显提高，成本也显著降低。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。