一种新型铁电场效应晶体管单元及其写入和读取方法技术

本发明专利技术属于信息存储技术领域，具体涉及一种新型铁电场效应晶体管单元及其写入和读取方法。包括依次衬底、铁电层、沟道层、左电极、中电极、右电极，铁电层位于衬底和沟道层之间，铁电层两侧分别为左电极和右电极，沟道层两侧分别为中电极和右电极，铁电层为单层或多层的二维层状铁电材料，沟道层为单层或多层的二维层状半导体材料，沟道层材料的载流子迁移率大于铁电层材料的载流子迁移率。本发明专利技术降低了现有技术中使用复杂CMOS技术制备铁电场效应晶体管的难度，并且可以应用于柔性电子中，能有效提高铁电晶体管的集成密度、降低功耗，易于实现小型化。

A New Ferroelectric Field Effect Transistor Unit and Its Writing and Reading Method

【技术实现步骤摘要】
一种新型铁电场效应晶体管单元及其写入和读取方法
本专利技术属于信息存储
，具体涉及一种新型铁电场效应晶体管单元及其写入和读取方法。
技术介绍
铁电存储器是一种非常具有应用前景的新型非易失性存储器，根据器件结构和工作原理可以分为两大类：铁电电容存储器和铁电场效应晶体管存储器。铁电场效应晶体管存储器不仅单元体积更小同时能非破坏性读出，比铁电电容存储器预期具有更高的存储密度和更低的功耗，是铁电存储器的未来发展方向。但传统钙钛矿结构的锆钛酸铅、钽酸锶铋等铁电材料与CMOS工艺兼容性差、存储容量低、制备温度高、有污染等原因，使得铁电存储器的制备需要特殊的生产线来进行，极大地限制了铁电存储器的广泛应用，铁电场效应晶体管存储器为实现商业化应用。尤其是目前柔性电子设备对于柔性电子器件，甚至是全透明的电子器件提出了强烈的需求，如何使铁电存储器能够适应科技的发展，使其性能提高，成为一个关键的问题。其中，首要需要解决的是，如何使非常具有发展前景的铁电晶体管能够适应普通CMOS工艺，或者能够使其以更为简单的工艺成功制备。其次，如何进一步简化其器件结构。再者，如何进一步减小其体积，进一步降低其能耗。最后，如何使其实现柔性化、全透明化，拓展它的应用。这些问题的解决，能够极大地促进铁电晶体管的应用，使得其满足工业生产的要求，实现商业化应用。
技术实现思路
本专利技术提供一种新型铁电场效应晶体管单元及其写入和读取方法，以降低铁电场效应晶体管的制备难度，简化了铁电场效应晶体管结构，能够使用平面电场在铁电场效应晶体管中写入、读取数据，可用于柔性、全透明的铁电场效应晶体管存储器件，极大地促进铁电晶体管的应用，使得其满足工业生产的要求。第一方面，提供一种新型铁电场效应晶体管单元，依次包括衬底、铁电层、沟道层、左电极、中电极、右电极，其特征在于，所述铁电层位于衬底和沟道层之间，所述铁电层的两侧分别为左电极和右电极，所述沟道层的两侧分别为中电极和右电极。所述铁电层在面内电场作用下改变其面内极化方向时，会引起铁电层面外极化方向的改变。作为本专利技术第一方面的优选方式，所述铁电层为单层或者多层的二维层状铁电材料，厚度为0.4nm-50nm，可以是In2Se3、Al2S3、Al2Se3、Al2Te3、Ga2S3、Ga2Se3、Ga2Te3、In2S3、In2Te3中的一种或者几种材料构成的单层或者多层二维层状铁电材料，或者为掺Co、Fe、Mn等元素的In2Se3、Al2S3、Al2Se3、Al2Te3、Ga2S3、Ga2Se3、Ga2Te3、In2S3、In2Te3中的一种或者几种材料构成的单层或者多层二维层状铁电材料。作为本专利技术第一方面的优选方式，所述沟道层为单层或者多层的二维层状半导体材料，厚度为0.1nm-3nm，可以是MoS2、SnS、GeS2、WS2、GaS2、CdS2、石墨烯中的一种或者几种材料构成的单层或者多层二维层状半导体材料。作为本专利技术第一方面的优选方式，所述沟道层材料的载流子迁移率大于铁电层材料的载流子迁移率。第二方面，提供一种新型铁电场效应晶体管单元的写入和读取方法，其特征在于，写入时是通过在左电极和右电极间施加电压，读取时是通过在中电极和右电极间施加电压。作为本专利技术第二方面的优选方式，所述的写入方法为在左电极和右电极施加电压，使得铁电层中的面内极化方向与外加电场方向一致，施加电压反向时，铁电层中的面内极化也会反向。作为本专利技术第二方面的优选方式，所述的写入方法，在改变铁电层中的面内极化的同时，会引起铁电层面外极化方向的翻转。作为本专利技术第二方面的优选方式，所述的读取方法为，在中电极和右电极施加电压，通过读取沟道层中的电流大小来识别晶体管的开关状态。本专利技术的有益效果在于：通过对铁电场效应晶体管的结构进行设计，可以使用面内电场来实现铁电场效应晶体管数据的写入和读取，简化了铁电场效应晶体管制备过程中的复杂工艺，同时使用面内电场对存储数据读取且采用较短的沟道使得铁电场效应晶体管的反应速度更加快捷、能耗更低，体积更小，能够实现三维堆叠提高存储密度。另外，写入和读取共用一个电极减小了铁电场效应晶体管的体积，简化了电路。另外二维层状铁电材料和二维层状半导体材料的应用使得铁电场效应晶体管可以采用柔性衬底实现柔性化，选择透明衬底可以实现透明化。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例的截面结构示意图。图2为本专利技术实施例的写入方式示意图。图3为本专利技术实施例的读取方式示意图。图4为本专利技术实施例的写入过程的I-V测试结果示意图。其中，1、衬底，2、铁电层，3、沟道层，4、左电极，5、右电极，6、中电极。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。本专利技术实施例公开了一种新型铁电场效应晶体管单元，依次包括衬底1、铁电层2、沟道层3，左电极4、右电极5、中电极6，其特征在于，所述铁电层2位于衬底1和沟道层3之间，所述铁电层2两侧分别为左电极4和右电极5，所述沟道层3两侧分别为中电极6和右电极5。铁电层2在面内电场作用下改变其面内极化方向时，会引起铁电层2面外极化方向的改变。铁电层2为单层或者多层的二维层状铁电材料，厚度为0.4nm-50nm，可以是In2Se3、Al2S3、Al2Se3、Al2Te3、Ga2S3、Ga2Se3、Ga2Te3、In2S3、In2Te3中的一种或者几种材料构成的单层或者多层二维层状铁电材料，或者为掺Co、Fe、Mn等元素的In2Se3、Al2S3、Al2Se3、Al2Te3、Ga2S3、Ga2Se3、Ga2Te3、In2S3、In2Te3中的一种或者几种材料构成的单层或者多层二维层状铁电材料。将铁电层2的厚度范围控制在0.4nm-50nm范围内，是为降低铁电层的纵向厚度，同时便于通过左电极和右电极之间面内电场来调控铁电层2的极化状态。沟道层3为单层或者多层的二维层状半导体材料，厚度为0.1nm-3nm，可以是MoS2、SnS、GeS2、WS2、GaS2、CdS2、石墨烯中的一种或者几种材料构成的单层或者多层二维层状半导体材料。将沟道层3的厚度范围控制在0.1nm-3nm范围内，是为提高铁电层极化对于沟道层中载流子的调控能力，使得铁电场效应晶体管中读取不同存储态时电流的差异更大。沟道层3材料的载流子迁移率大于铁电层2材料的载流子迁移率。选用沟道层3材料的载流子迁移率须大于铁电层2材料的载流子迁移率，是为了在读取存储态时，让电流的主要通过路径为中电极、沟道层和右电极，能够有效降低能耗，同时能够避免读取时的电流影响铁电层2中的极化状态，提高数据存储的可靠性。以衬底为包覆300nmSiO2的Si衬底、铁电层为单层α-In2Se3，沟道层为单层石墨烯，左电极、右电极、中电极均为Au电极的一种新型铁电场效应晶体管单元为实施例一，其实现的主要流程为：a)将300nm-SiO2/Si衬底上清洗干净并干燥。b)使用机械剥离或者腐蚀转移的方法，将单层α-In2Se3转移到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型铁电场效应晶体管单元，依次包括衬底、铁电层、沟道层、左电极、中电极、右电极，其特征在于，所述铁电层位于衬底和沟道层之间，所述铁电层两侧分别为左电极和右电极，所述沟道层两侧分别为中电极和右电极。

【技术特征摘要】
1.一种新型铁电场效应晶体管单元，依次包括衬底、铁电层、沟道层、左电极、中电极、右电极，其特征在于，所述铁电层位于衬底和沟道层之间，所述铁电层两侧分别为左电极和右电极，所述沟道层两侧分别为中电极和右电极。2.根据权利要求1所述的新型铁电场效应晶体管单元，其特征在于，所述铁电层为单层或者多层的二维层状铁电材料，厚度为0.4nm-50nm，可以是In2Se3、Al2S3、Al2Se3、Al2Te3、Ga2S3、Ga2Se3、Ga2Te3、In2S3、In2Te3中的一种或者几种材料构成的单层或者多层二维层状铁电材料，或者为掺Co、Fe、Mn等元素的In2Se3、Al2S3、Al2Se3、Al2Te3、Ga2S3、Ga2Se3、Ga2Te3、In2S3、In2Te3中的一种或者几种材料构成的单层或者多层二维层状铁电材料。3.根据权利要求2所述的新型铁电场效应晶体管单元中的铁电层，其特征在于，所述铁电层在面内电场作用下改变其面内极化方向时，会引起铁电层面外极化方向的改变。4.根据权利要求1所述的新型铁电场效应晶体管单元，其特征在于，所述沟道层为单层或者多层的二维层状半...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯鹏飞，吴禹彤，陈芸，丁晟，宋佳讯，王金斌，钟向丽，郭红霞，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43