一种基于层间滑移的多电导态铁电晶体管器件及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于层间滑移的多电导态铁电晶体管器件及制备方法，其工作机理如下：通过器件上下栅极施加垂直电场，实现范德华层状铁电的层间滑移，进而实现铁电极化态的叠加，在多层材料中获得多个极化态，通过多重铁电极化态进一步调控晶体管沟道的电导态。本发明专利技术的多电导态铁电晶体管器件区别于传统的基于铁电畴的改变获得的多态器件，以及基于铁电极化完全翻转获得的二值型器件，实现了多态铁电极化调控原理上的创新，基于材料层数作为新的自由度，实现稳定、多值、低功耗的效果。低功耗的效果。低功耗的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于层间滑移的多电导态铁电晶体管器件及制备方法


[0001]本专利技术属于铁电晶体管器件
，具体涉及到一种基于层间滑移的多电导态铁电晶体管器件及制备方法。

技术介绍

[0002]当前集成电路芯片都是基于冯诺依曼架构，由于中央处理器和内存之间的分离，其数据的存储和处理需要实现信息在存储单元和处理单元之间的频繁交换，因此使得计算机在处理模式识别、自动驾驶和自然语言处理等数据运算时，面临着严重的时间延迟和高能耗问题。如何突破冯诺依曼架构的限制，解决集成电路面临的存储墙和功耗墙问题，是后摩尔时代发展新原理器件所要解决的首要。新型的存算一体架构器件，能够将存储与逻辑运算集于同一器件单元，有望克服冯诺依曼构架计算机的运算瓶颈，在高效处理大规模数据方面有着巨大的应用前景。基于铁电材料的晶体管器件将铁电极化态的非易失的存储特性与晶体管的开关特性结合，是构筑存算一体架构器件的理想选择。但是目前的铁电晶体管器件的存储基本上都是基于铁电极化的双稳态特性，只能实现存储的二值态，限制了存算一体器件的发展。
[0003]如何基于铁电机理的晶体管器件实现具有非易失特性的多电导态调控是发展新型铁电晶体管器件所面临的重要问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于层间滑移的多电导态铁电晶体管器件及制备方法，基于多层范德华层状铁电材料，通过电场调节各层铁电极化的翻转，最终获得多个铁电极化态的叠加，从而实现基于层间滑移铁电沟道材料的多电导态铁电晶体管器件，为构筑新型存算一体器件提供新颖的器件结构。r/>[0005]为达上述目的，本专利技术提供了一种基于层间滑移的多电导态铁电晶体管器件，包括上下设置的顶栅电极和底栅电极，底栅电极上设置有高介电常数的底栅绝缘介质层，底栅绝缘介质层上中部设置有导电沟道，导电沟道上设置有范德华层状铁电沟道材料，导电沟道左右两侧分别设置有源极电极和漏极电极，导电沟道、源极电极和漏极电极之间形成欧姆接触，导电沟道、源极电极和漏极电极上方通过顶栅绝缘介质层与顶栅电极连接，底栅电极下方连接有支撑衬底。
[0006]采用上述方案的有益效果是：本专利技术采用具有层间滑移铁电性的范德华层状铁电材料作为导电沟道，结合其层间滑移导致的极化翻转过程，实现和上下栅极电压扫描范围相关的电导调控行为。利用栅极调控沟道面外铁电性，获得不同铁电极化态的叠加，进而获得多个稳定的铁电极化态。在铁电极化调控作用下，实现对沟道材料的电导率调节，进而实现低压低功耗并具有稳定多态特性的铁电晶体管器件。
[0007]进一步地，底栅绝缘介质层的材质为高绝缘性介电层材料，底栅绝缘介质层的厚度为5
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300nm，高绝缘性介电层的材质为SiO2、Al2O3或h
‑
BN。
[0008]进一步地，范德华层状铁电沟道材料为具有非中心对称结构的范德华层状材料。
[0009]进一步地，范德华层状铁电沟道材料为3R
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MoS2、3R
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MoSe2、3R
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WS2、3R
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WSe2、1T
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WTe2、ReS2、ReSe2、In2Se3或Ga2Se3。优选的，范德华层状铁电沟道材料由机械剥离或者化学气相沉积合成而得，为多层单晶。
[0010]进一步地，支撑衬底的材质为Si、Al2O3、PET、PI和PDMS中的至少一种。
[0011]进一步地，底栅电极和顶栅电极的材质为Au、Ti、Cr、Ni、Pd、重掺杂半导体、二维金属或半金属材料，其中重掺杂半导体为使用B或者P重掺杂的Si。
[0012]进一步地，源极电极和漏极电极的材质为Ti、Cr、Au、Pt、Pd、石墨烯电极、二维金属或半金属材料。
[0013]进一步地，顶栅绝缘介质层的材质为SiO2、Si3N4、h
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BN或Al2O3。
[0014]本专利技术还提供了一种基于层间滑移的多电导态铁电晶体管器件的制备方法，包括以下步骤：
[0015]S1：通过CVT法制备得到非中心结构对称的范德华层状铁电材料晶体；
[0016]S2：使用机械剥离法得到非中心结构对称的范德华层状铁电材料的薄片；
[0017]S3：通过光刻法及蒸镀法在支撑衬底(1)上制得底栅电极(2)；
[0018]S4：通过原子层沉积或磁控溅射在步骤S1处理得到的支撑衬底(1)上制备介质薄膜，然后在氩气/氢气混合气体气氛中进行退火处理，制得底栅绝缘介质层(3)；
[0019]S5：通过干法转移法将步骤S2得到的非中心结构对称的范德华层状铁电材料的薄片转移到步骤S4得到的支撑衬底(1)上，获得范德华层状的导电沟道(6)；
[0020]S6：通过光刻法、蒸镀法在导电沟道(6)两侧制备出源极电极(4)和漏极电极(5)；
[0021]S7：通过原子层沉积或磁控溅射在步骤S4处理得到的支撑衬底(1)上制备介质薄膜，然后在氩气/氢气混合气体气氛中进行退火处理，制得顶栅绝缘介质层(7)；
[0022]S8：通过光刻法、蒸镀法于顶栅绝缘介质层(7)制得顶栅电极(8)。
[0023]综上所述，本专利技术具有以下优点：
[0024]1、本专利技术通过上下栅极调控导电沟道，调控沟道内部载流子数量，实现晶体管的开关工作状态切换；
[0025]2、本专利技术采用范德华层状铁电为导电沟道，利用沟道材料的铁电极化特点，通过上下栅极配合对沟道施加垂直方向电场，实现铁电极化翻转，进而实现对沟道电导率的非易失性进行调控；
[0026]3、本专利技术基于层间滑移铁电的层间耦合特性，通过精确控制垂直方向电场，实现层间滑移铁电的逐层翻转，进而实现各层间铁电极化的耦合和叠加，获得多态的铁电极化存储态，进而实现沟道材料电导率的非易失性多态电导状态。
附图说明
[0027]图1为本专利技术多电导态铁电晶体管器件的结构示意图，
[0028]其中，1
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支撑衬底，2
‑
底栅电极，3
‑
底栅绝缘介质层，4
‑
源极电极，5
‑
漏极电极，6
‑
导电沟道，7
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顶栅绝缘介质层，8
‑
顶栅电极。
[0029]图2为多电导态铁电晶体管器件在源漏极电压保持不变，改变垂直方向扫描电场的电学特性曲线图，
[0030]其中，2L、3L、4L分别代表3R
‑
MoS2的厚度为双层、三层、四层厚度，箭头为电场扫描方向。
[0031]图3为多电导态铁电晶体管器件在源漏极电压保持不变，对器件施加垂直方向的脉冲电场后，器件的电学特性图，
[0032]其中，图3(a)为脉冲电场示意图，图3(b)、图3(c)和图3(d)中2L、3L、4L分别代表3R
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MoS2的厚度为双层、三层、四层厚度，箭头为电场扫描方向，三角形标注不同导电态出现的位置。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于层间滑移的多电导态铁电晶体管器件，其特征在于，包括上下设置的顶栅电极(8)和底栅电极(2)，所述底栅电极(2)上设置有高介电常数的底栅绝缘介质层(3)，所述底栅绝缘介质层(3)上中部设置有导电沟道(6)，所述导电沟道(6)上沉积有范德华层状铁电沟道材料，所述导电沟道(6)左右两侧分别设置有源极电极(4)和漏极电极(5)，所述导电沟道(6)、源极电极(4)和漏极电极(5)之间形成欧姆接触，所述导电沟道(6)、源极电极(4)和漏极电极(5)上方通过顶栅绝缘介质层(7)与所述顶栅电极(8)连接，所述底栅电极(2)下方连接有支撑衬底(1)。2.如权利要求1所述的基于层间滑移的多电导态铁电晶体管器件，其特征在于，所述底栅绝缘介质层(3)的厚度为5
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300nm，所述底栅绝缘介质层(3)的材质为SiO2、Al2O3或h
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BN。3.如权利要求1所述的基于层间滑移的多电导态铁电晶体管器件，其特征在于，所述范德华层状铁电沟道材料为具有非中心对称结构的范德华层状材料。4.如权利要求3所述的基于层间滑移的多电导态铁电晶体管器件，其特征在于，所述范德华层状铁电沟道材料为3R
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MoS2、3R
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MoSe2、3R
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WS2、3R
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WSe2、1T
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WTe2、ReS2、ReSe2、In2Se3或Ga2Se3。5.如权利要求1所述的基于层间滑移的多电导态铁电晶体管器件，其特征在于，所述支撑衬底(1)的材质为Si、Al2O3、PET、PI或PDMS。6.如权利要求1所述的基于层间滑...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘富才，蒙鹏，卞仁吉，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：