基于原子层沉积InGaZnO薄膜的1-晶体管-1-二极管架构紫外光存储器：保留性能与工作机制分析

《Optical Materials》：1-Transistor-1-diode architecture UV optical memory based on the atomic layer deposition InGaZnO thin film with retention and operation mechanism analysis

IGZO薄膜晶体管（TFT）通过将门电容作为存储节点实现电容式动态随机存取存储器（2T0C DRAM）突破，本研究在此基础上创新性设计1T1D紫外光学存储器，集成IGZO紫外光电二极管与TFT，利用光编程和电读操作实现非易失性存储。通过原子层沉积（ALD）制备IGZO薄膜并系统表征其光电特性，优化电路配置后获得171-498秒光学保持时间及14-45nA光响应电流，波动率低于2%。实验表明该架构兼具2T0C DRAM的长保留特性与单TFT单二极管结构的读写分离优势，揭示四阶段操作机制。

　　在现代电子技术的发展过程中，半导体材料扮演着至关重要的角色。其中，氧化铟镓锌（Indium–Gallium–Zinc Oxide，简称IGZO）作为一种新型的透明半导体材料，因其优异的光电性能和可调控的结构特性，近年来受到了广泛的关注。IGZO材料在多个领域展现出了巨大的应用潜力，例如平面显示器、像素传感器、柔性电子设备以及光电设备等。随着研究的深入，IGZO材料在存储器件中的应用也逐渐成为研究热点，尤其是在无电容动态随机存取存储器（Capacitor-less Dynamic Random Access Memory，简称2T0C DRAM）的开发中取得了突破性进展。

2020年，基于IGZO薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）的2T0C DRAM技术成功实现，这项创新通过将IGZO TFT的栅极电容作为存储节点（Storage Node，SN），有效地克服了传统存储芯片在尺寸缩小方面的限制，为三维存储器（3D DRAM）的发展铺平了道路。这一技术的出现不仅提升了存储器的性能，还为IGZO材料在存储领域的应用打开了新的局面。2T0C DRAM的结构相较于传统的1T1C DRAM具有更高的集成度和更优的性能，特别是在存储时间方面表现突出，这使得其在高密度存储器件中具有显著的优势。

在这一背景下，研究人员进一步探索IGZO材料在光存储领域的应用潜力。光存储技术作为一种替代传统电子存储的方式，近年来在数据存储和信息处理方面展现出了独特的优势。与电子存储相比，光存储具有非接触性、高速读写、大容量和低功耗等特性，因此在许多新兴应用中受到青睐。然而，传统的光存储技术往往依赖于特定的材料体系和结构设计，这限制了其在某些应用场景中的扩展性。因此，如何利用IGZO材料的光电特性，开发出适用于光存储的新型器件，成为当前研究的一个重要方向。

基于这一思路，本文提出了一种结合IGZO光电特性和2T0C架构的1T1D（1 Transistor - 1 Diode）光存储器件。该器件由一个IGZO通道的光电二极管和一个IGZO TFT组成，其中IGZO TFT的栅极电容作为存储节点，而IGZO光电二极管则用于实现光编程操作。通过将IGZO材料的光电响应特性与2T0C架构的高存储性能相结合，该1T1D结构不仅继承了2T0C DRAM在存储时间方面的优势，还具备了更高的读写灵活性和更低的漏电流特性。

在材料制备方面，本文采用了等离子体增强原子层沉积（Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition，简称PEALD）技术来合成IGZO薄膜。原子层沉积（Atomic Layer Deposition，简称ALD）作为一种先进的薄膜沉积方法，具有优异的均匀性和高对准性，能够在复杂的微结构中实现高质量的薄膜生长。通过精确控制ALD的子循环比例，研究人员可以有效地调节IGZO薄膜的组成和性能，从而优化其在光存储器件中的应用效果。PEALD技术在ALD的基础上引入了等离子体辅助，进一步提高了薄膜的致密性和光电响应能力，为后续器件的性能提升奠定了基础。

在器件结构设计上，本文重点探讨了1T1D UV光存储器件的构建过程。该器件的核心在于IGZO TFT和IGZO光电二极管的协同工作。IGZO TFT的栅极电容作为存储节点，负责在光编程操作中存储光信号，并在读取过程中保持其状态。而IGZO光电二极管则作为光编程单元，能够对入射的紫外光（UV）产生响应，并将光信号转换为电信号。这种结构设计不仅简化了器件的复杂度，还提高了其在光存储中的适用性。

为了验证该1T1D结构的性能，研究人员进行了系统的光电和电学表征。结果显示，IGZO TFT在光存储应用中表现出优异的开关特性，其开/关电流比（I_on/I_off）超过了10⁸，同时漏电流极低，表明其在光存储器件中具有良好的稳定性。此外，IGZO光电二极管在紫外光照射下表现出稳定的光电响应特性，其响应电流（I_OR）范围在14 nA到45 nA之间，且在耐久性测试中波动不超过2%，这表明其在光存储操作中具有较高的可靠性和重复性。

在光存储性能的评估方面，本文重点研究了光存储器件的保持时间和耐久性。通过调节光脉冲参数和电路配置，研究人员系统地分析了波长、光强、光编程操作时间和阳极电压等因素对光存储性能的影响。结果显示，光存储器件在不同参数条件下均表现出良好的性能，其中保持时间（t_OR）范围在171秒到498秒之间，这表明其在光存储中的应用具有较高的可行性。同时，耐久性测试也显示，该器件在多次读写操作后仍能保持稳定的光电响应特性，进一步验证了其在光存储中的长期可靠性。

在器件的工作机制分析方面，本文基于光存储过程中读电流的变化，结合基本的光电原理，将1T1D UV光存储器件的操作过程划分为四个明确的阶段。这一分析不仅有助于理解器件的工作原理，还为后续的优化和改进提供了理论依据。通过对各阶段的详细研究，研究人员能够更深入地掌握光存储器件在不同操作条件下的行为特性，从而为实际应用提供指导。

此外，本文还探讨了IGZO材料在光存储领域的未来发展方向。随着光存储技术的不断进步，IGZO材料因其独特的光电性能和可调控的结构特性，有望成为下一代光存储器件的重要组成部分。未来的研究可以进一步优化IGZO薄膜的沉积工艺，提升其在不同波长光照射下的响应效率，并探索其在更高密度和更复杂结构中的应用潜力。同时，结合其他先进的半导体材料和工艺技术，如纳米结构设计和异质集成，可以进一步拓展IGZO在光存储领域的应用范围。

为了实现IGZO在光存储中的高效应用，研究人员还提出了多种可能的改进方向。例如，通过引入更先进的光调制技术，可以提高光存储器件的读写速度和数据容量。此外，优化器件的结构设计，如增加光敏区域的面积或改善电极的布局，也有助于提升器件的性能。在实际应用中，光存储器件可能需要与现有的电子存储系统进行集成，因此研究其与其他技术的兼容性也显得尤为重要。

总的来说，本文的研究为IGZO材料在光存储领域的应用提供了重要的理论基础和技术支持。通过将IGZO TFT的栅极电容作为存储节点，并结合IGZO光电二极管的光编程能力，研究人员成功开发出一种新型的1T1D UV光存储器件。该器件在保持时间和耐久性方面表现出色，同时具备良好的光电响应特性，为未来的光存储技术发展提供了新的思路和方向。随着研究的不断深入，IGZO材料在光存储中的应用前景将更加广阔，有望在数据存储、信息处理和新型电子器件等领域发挥重要作用。