本发明专利技术公开了一种采用一维半导体纳米材料替代硅材料作为导电通道的铁电场效应晶体管及其制备方法。该铁电场效应晶体管由衬底（１）和沉积在其上的栅区（２），以及源区（３）、漏区（５）和位于源区（３）和漏区（５）之间的一维半导体纳米材料导电通道（４）组成，源区（３）和漏区（５）均为几十纳米厚的金属层，在制作源区（３）和漏区（５）之前，一维半导体纳米材料被均匀地布散在栅区（２）上，栅区（２）为铁电材料薄膜层。其是一种在断电时不会丢失信息的非易失存储器，它除了具有铁电随机存储器的高密度、高速度、低功耗和抗辐射等优点，还具有非破坏性读出以及结构更加简单紧凑的特点。同时，该种铁电场效应晶体管制作工艺简单，并且给予器件更高潜在的集成度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于纳电子器件领域，具体涉及一种使用一维半导体纳米材料作为导电通道的铁电场效应晶体管。本专利技术还涉及该铁电场效应晶体管的制备方法。
技术介绍
铁电场效应晶体管(以下简称“FeFET”)以金属/铁电体/半导体(Metal/Ferroelectric/Semiconductor，MFS)结构作为基本存储单元，它以铁电薄膜取代半导体场效应晶体管中的栅介质层，通过改变栅极极化状态(±Pr)实现对源-漏电流的调制，使它或者处于导电的“开通”状态或者处于断开的“截止”状态。当给栅极施加写脉冲时，铁电薄膜被永久极化，源漏关闭，处于“0”态；若再施加一个反向的脉冲，源漏则导通为“1”态。这样，根据源漏电流的大小可以读出存储在铁电薄膜中的信息(“0”或“1”)，而无需使栅介质的极化状态反转。因此，FeFET存储器具有非破坏性读出(Non-destructive Read Out，NDRO)的特性。与其它非挥发性存储器，如快闪存储器(Flash Memory)、电可擦写存储器(EEPROM)相比，更具有低驱动电压、低功耗和高擦写次数等优点；与另一种商用化铁电存储器-铁电随机存储器(Ferroelectric RandomAccess Memory，FRAM)相比，FeFET存储器具有存储密度更高、读写速度更快、功耗更低、电路更简单和非破坏性读出的优势，在计算机存储领域有着重大的应用价值和广阔的市场前景。回顾铁电存储器的发展历程，早在1952年，Bell实验室的J.R.Anderson(见J.R.Anderson，Ferroelectric storage elements fordigital computers and switching system，Electr.Engineering，1952，71916-922)就提出了铁电电容存储器的构想。但是由于当时对于铁电体认识上的局限性特别是“半选干扰”和“疲劳”问题，这种结构的铁电存储器的研究工作暂时被搁置了。J.L.Moll和Y.Tarui在1963年提出了早期的FeFET存储器设想(见J.L.Moll，Y.Tarui，A new solidstate memory resistor.IEEE Trans.Electron Devices，1963，ED-10338-341)。这种早期的铁电体-半导体器件是在一块铁电单晶上蒸发一层半导体薄膜而制备的共平面底栅台面结型FeFET。直到1974年，Y.S.Wu(见Y.S.Wu，A new ferroelectric memory device，metal-ferroelectric-semiconductor transistor，IEEE Trans.Electron Devices，1974，ED-21(8)499-504)发布了第一个由MFS结构所构成的FeFET。这种结构与标准的金属-绝缘体-半导体结构(MIS)相似，只是用铁电体取代了绝缘体。但是这种结构的器件存在一个F-S的直接界面，从而导致了FeFET性能上极大的折损，虽然通过在F-S界面之间加入一层过渡缓冲层(见Arimoto and Ishiwara H.MRS Bull，2004，29，823)降低界面态能够改善漏电流和保持力，但是界面问题并没有从根本上得到解决，F-S界面问题成为制约FeFET存储器发展的最大障碍。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提出了一种从根本上解决FeFET存储器中存在的F-S界面问题的方法，从而为FeFET存储器的产业化应用铺平道路。本专利技术采用具有完美结构的一维半导体纳米材料(如单壁碳纳米管)替代硅材料作为FeFET的导电通道，利用其优异的力、热学性能，从根本上克服硅基器件遇到的F-S界面问题，而一维半导体纳米材料优异的电学特性又保证了器件具有媲美硅基器件的工作特性。同时，由于本专利技术采用更短更小的一维纳米材料，以及“自下而上”的纳器件制备方法，故而将对工艺流程的简化和器件集成度的提高产生深远的影响。本专利技术还提供了制备基于一维半导体纳米材料的铁电场效应晶体管存储器的具体方法，此方法工艺简洁，与半导体IC工艺兼容。为实现上述目的，本专利技术的铁电场效应晶体管由硅衬底(1)和沉积在其上的栅区(2)，以及源区(3)、漏区(5)和位于源区(3)和漏区(5)之间的一维半导体纳米材料导电通道(4)组成，源区(3)和漏区(5)均为几十纳米厚的铂金层，在制作源区(3)和漏区(5)之前，一维半导体纳米材料被均匀地布散在栅区(2)上，栅区(2)为铁电材料薄膜层，进一步，所述硅衬底(1)由重掺杂的硅片或铂硅基片制成；所述栅区(2)由由铁电材料薄膜制成。进一步，所述铁电材料为钛酸钡(BTO)、钛酸锆铅(PZT)、钽酸锶铋(SBT)、钛酸铋镧(BLT)等。进一步所述源区(3)和漏区(5)的金属膜优选为均为由2纳米厚的钛金属和20纳米厚的金金属层构成的双层膜。上述基于一维半导体纳米材料的铁电场效应晶体管的制备方法，依次采取以下步骤(1)清洗硅基片，以用作衬底(2)在硅基片上沉积铁电材料薄膜；(3)在铁电薄膜上所需部分布散一维半导体纳米材料；(4)在硅基片上和半导体纳米材料上涂布光刻胶，通过光刻形成了源/漏区的光刻图形，(5)在光刻图形上镀上金属膜，再清洗掉光刻胶，得到源/漏电极；(6)最后将器件在氮气或氩气下退火。本专利技术以BaTiO3铁电薄膜(或其它铁电材料)作为存储栅介质，制作了Pt-BaTiO3-SWCNT的MFS结构，成功得到了具有一定存储特性的基于单壁碳纳米管的非易失铁电场效应晶体管。由于采用了具有完美结构和优异力、热、电、光学性能的一维材料(如单壁碳纳米管)作为导电通道，本专利技术从根本上克服了一般铁电场效应晶体管的F-S界面问题，从而扫清这一制约FeFET存储器发展的最大障碍；并且由于采用更短更小的一维纳米线材料，和“自下而上”的纳器件制备方法，更加便于未来器件的制备工艺的简化以及集成度的提升。该“自下而上”工艺是从纳米材料单元做起，实现微电子器件功能，它相对于“自上而下”而言，“自上而下”是从块材做起，通过工艺加工使之尺寸变小到微米甚至纳米量级。“自下而上”是微电子领域公知的常识。同时，这一工艺与现有的半导体IC工艺完全兼容，而且简洁的制作工艺能够有效地提高器件的成品率。最后，本专利技术的基于一维半导体纳米材料的铁电场效应晶体管存储器，不仅具有铁电随机存储器的所有优点，如高集成度，高速，低功耗，并且具有非破坏性读取和结构更加简单紧凑的额外优势。本专利技术将为未来的铁电场效应晶体管存储器的应用开辟广阔的空间。附图说明图1a为本专利技术铁电场效应晶体管单元截面示意图； 图1b为本专利技术铁电场效应晶体管俯视图；图2为本专利技术铁电场效应晶体管制备方法流程图；图3为本专利技术铁电场效应晶体管的制备过程示意图；图4为本专利技术铁电场效应晶体管的沟道电流-栅极电压IDS-VGS转移特性曲线图；图5为本专利技术铁电场效应晶体管的沟道电流-栅极电压IDS-VDS输出特性曲线。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。如图1a-图1b所示，本专利技术基于一维半导体纳米材料(此处以“单壁碳纳米管”材料为例)的铁电场效应晶体管由衬底1、栅区2、源区3、本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于一维半导体纳米材料的铁电场效应晶体管，其特征在于，该铁电场效应晶体管由衬底（１）和沉积在其上的铁电材料薄膜作为栅区（２），以及源区（３）、漏区（５）和位于源区（３）和漏区（５）之间的一维半导体纳米材料导电通道（４）组成，源区（３）和漏区（５）均为几十纳米厚的金属膜，在制作源区（３）和漏区（５）之前，一维半导体纳米材料被均匀地布散在栅区（２）上，其中栅区（２）为铁电材料薄膜层，与硅衬底同时作为栅极。
【技术特征摘要】
1.一种基于一维半导体纳米材料的铁电场效应晶体管，其特征在于，该铁电场效应晶体管由衬底(1)和沉积在其上的铁电材料薄膜作为栅区(2)，以及源区(3)、漏区(5)和位于源区(3)和漏区(5)之间的一维半导体纳米材料导电通道(4)组成，源区(3)和漏区(5)均为几十纳米厚的金属膜，在制作源区(3)和漏区(5)之前，一维半导体纳米材料被均匀地布散在栅区(2)上，其中栅区(2)为铁电材料薄膜层，与硅衬底同时作为栅极。2.如权利要求1所述的基于一维半导体纳米材料的场效应晶体管，其特征在于，所述衬底(1)由重掺杂的硅片或铂硅基片制成或其它材料；所述栅区由铁电材料薄膜制成。3.如权利要求1所述的基于一维半导体纳米材料的铁电场效应晶体管，其特征在于，所述源区(3)和漏区(5)的金属膜均为由2纳米厚的钛金属和20纳米厚的金金属层构成的双层膜。4.如权利要求1所述的基于一维半导体纳米材料的铁电场效应晶体管，其特征在于，所述一维半导体纳米材料为半导体纳米管或纳米线或纳米带。5.如权利要求1-3中任一项所述的基于一维半导体纳米材料的铁电场效应晶体管，...
【专利技术属性】
技术研发人员：王恩哥，符汪洋，白雪冬，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[]
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