一种横向离子耦合双电层晶体管结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种横向离子耦合双电层晶体管结构及其制备方法，结构包括：半导体衬底；覆盖在衬底表面上的介质层；设于介质层的二维半导体材料沟道层；设于沟道层两端上的源极和漏极；设于介质层上，并位于沟道层侧面以外的栅极；设于介质层上，且两端分别覆盖在沟道层和栅极表面上的凝胶电解质栅介质层；通过凝胶电解质中离子的横向迁移产生的离子耦合效应，在栅介质层和沟道层之间形成双电层电容，其栅极控制能力强，工作电压小，形成的晶体管结构具有突触可塑性的短期和长期突触行为，在构建用于计算和传感应用的高级混合和高密度神经形态系统中显示出巨大的潜力。形态系统中显示出巨大的潜力。形态系统中显示出巨大的潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种横向离子耦合双电层晶体管结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体器件工艺
，尤其涉及一种基于横向离子耦合机制的二维双电层晶体管器件结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着摩尔定律的发展，晶体管的尺寸变得越来越小，芯片的集成度也越来越高。SiO2因其制备工艺简单，常被用作传统场效应晶体管的栅极材料。为了配合晶体管尺寸的微缩，SiO2的厚度也不断减小，但当其厚度降低至原子数量级时，将因漏电流骤增、隧穿效应产生等缺点而导致器件失效。另一种降低绝缘层厚度的有效途径是采用氧化铝(Al2O3)、氧化铪(HfO2)等高栅介质常数(高k)的介电材料，但是高k材料的缺陷密度较大，沉积后需要进行高温钝化和退火。这极大地限制了该工艺在打印电子学、柔性电子学等领域的应用。为了解决这一难题，在20世纪初期，出现了电解质栅介质材料。当外界施加电压时，电解质栅介质层中的离子会发生迁移，最终在栅介质层和沟道之间形成致密的双电层，其间距约1nm，具有超高的载流子密度，最高可达数10
14
cm
‑2，同时产生巨大的电容，最高几倍于1μF/cm2，被称为双电层电容。对应形成的FET即为双电层晶体管。
[0003]20世纪90年代初期，利用晶体管模拟神经元细胞和神经突触的工作被发表。该晶体管可以利用电容耦合在浮栅上叠加多个栅极的电荷，所以半导体沟道层可以接收多个栅极的输入电压。该过程类似于生物体的神经元可以整合多个树突的输入信号。然而，这项工作仅研究了晶体管在传统的电子器件领域的应用，比如：反相器、数模转换器等，尚未探索晶体管在神经突触仿生领域的应用潜力。随后神经形态计算系统被发现可以从人脑的大规模并行性，鲁棒性计算和高能效中寻求灵感，并有可能产生一种革命性的计算技术，该技术将从根本上克服常规数字计算技术中的冯
·
诺依曼结构瓶颈。因此，科研人员在构建神经形态系统方面的研究兴趣猛增，尤其是通过利用新兴器件，例如相变存储器、自旋电子器件、原子开关和忆阻器的可扩展性和功能。特别是，通过使用类似的可调权重，模拟具有生物突触的行为或离子动力学，将这些器件用作突触元件来构建神经形态计算系统的结构，这被广泛地探索和研究。
[0004]以前的研究通常会将这些新兴器件作为非易失性元件，可以存储权重和加速矢量矩阵乘法，而无需利用其生物突触的丰富功能和动态特性。鉴于生物突触具有更广泛和复杂的功能，这些功能被描述为突触可塑性，并且被认为对于神经信号的传递，存储以及记忆，学习和其他认知功能至关重要。模拟突触可塑性是在硬件上实现神经突触仿生的极大简化。因此，开发和制备具有生物功能的突触元件非常重要，其强大的功能和丰富的时空动态特性，对于构建人工智能的神经形态硬件必不可少。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种横向离子耦合双电层晶体管结构及其制备方法，利用离子凝胶作为栅介质的绝缘层，可在横向离子耦合的作用
下形成双电层电容器，其栅极控制能力强，工作电压小，能用于模拟生物体的突触可塑性。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]本专利技术提供了一种横向离子耦合双电层晶体管结构，包括：
[0008]半导体衬底；
[0009]覆盖所述衬底的介质层；
[0010]设于所述介质层表面上的二维半导体材料沟道层；
[0011]设于所述沟道层两端上的源极和漏极；
[0012]设于所述介质层表面上，并位于所述沟道层侧面以外的栅极；
[0013]设于所述介质层表面上，且两端分别覆盖所述沟道层和所述栅极的凝胶电解质栅介质层；
[0014]其中，通过所述凝胶电解质中离子的横向迁移产生的离子耦合效应，在所述栅介质层和所述沟道层之间形成双电层电容。
[0015]进一步地，所述源极和所述漏极位于所述沟道层两端的表面上，所述源极和所述漏极的表面上设有高k材料层。
[0016]进一步地，所述凝胶电解质的组分包括混合态的高氯酸锂和聚环氧乙烷。
[0017]进一步地，所述二维半导体材料包括MoS2。
[0018]进一步地，所述高k材料包括Al2O3。
[0019]本专利技术还提供了一种横向离子耦合双电层晶体管结构的制备方法，包括：
[0020]提供一半导体衬底；
[0021]形成覆盖于所述衬底上的介质层；
[0022]在所述介质层表面上形成作为沟道层的二维半导体材料层；
[0023]在所述二维半导体材料层两端的表面上形成源极和漏极，以及在所述二维半导体材料层侧面以外的所述介质层表面上形成栅极；
[0024]在所述介质层表面上形成两端分别覆盖所述沟道层和所述栅极的凝胶电解质栅介质层；
[0025]其中，通过形成的所述凝胶电解质中离子的横向迁移产生的离子耦合效应，在所述栅介质层和所述沟道层之间形成双电层电容。
[0026]进一步地，还包括：在所述源极和所述漏极的表面上形成高k材料层。
[0027]进一步地，所述在所述介质层表面上形成两端分别覆盖所述沟道层和所述栅极的凝胶电解质栅介质层，包括：
[0028]称取适量聚合物粉末与电解质盐晶体，并放入容器内；
[0029]向所述容器中加入水性溶剂，并将所述容器密封；
[0030]执行磁力搅拌，使所述容器内的所述聚合物和所述电解质盐充分混合并溶解，形成液态的电解质凝胶；
[0031]打开所述容器，将配制成的液态电解质凝胶旋涂于沟道区域上方，使得所述沟道层和所述栅极表面被同时覆盖；
[0032]执行烘烤，使液态电解质凝胶中的溶剂充分挥发，形成固态的凝胶电解质栅介质层。
[0033]进一步地，所述聚合物包括聚环氧乙烷；所述电解质盐包括高氯酸锂。
[0034]进一步地，所述溶剂包括去离子水。
[0035]由上述技术方案可以看出，本专利技术通过利用聚合物与电解质盐形成的离子凝胶作为栅介质的绝缘层，并以二维半导体材料薄膜作为沟道材料，可在横向电解质离子耦合的作用下形成双电层电容器，使制备的双电层晶体管具有栅极控制能力强，低工作电压，高开关比，低亚阈值摆幅和性能稳定的优点。良好的电学性能表明其具有“突触可塑性”的短期和长期突触行为，能用于模拟生物体的突触可塑性，在模拟神经突触行为的元件中具有一定的优越性，是作为构建人工智能的神经形态计算系统的突触元件优选。
[0036]并且，本专利技术通过利用水性溶剂代替传统的有机溶剂，能够在保证溶质充分溶解的同时，使形成的离子凝胶无毒、绿色环保且易于制备。
附图说明
[0037]图1为本专利技术一较佳实施例的一种横向离子耦合双电层晶体管结构示意图；
[0038]图2为本专利技术一较佳实施例的一种横向离子耦合双电层晶体管结构的制备方法流程图；
[0039]图3
‑
图7为本专利技术一较佳实施例的一种根据图2的方法制备一种横向离子耦合双电层晶体管结构时的工艺步骤示意本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种横向离子耦合双电层晶体管结构，其特征在于，包括：半导体衬底；覆盖所述衬底的介质层；设于所述介质层表面上的二维半导体材料沟道层；设于所述沟道层两端上的源极和漏极；设于所述介质层表面上，并位于所述沟道层侧面以外的栅极；设于所述介质层表面上，且两端分别覆盖所述沟道层和所述栅极的凝胶电解质栅介质层；其中，通过所述凝胶电解质中离子的横向迁移产生的离子耦合效应，在所述栅介质层和所述沟道层之间形成双电层电容。2.根据权利要求1所述的横向离子耦合双电层晶体管结构，其特征在于，所述源极和所述漏极位于所述沟道层两端的表面上，所述源极和所述漏极的表面上设有高k材料层。3.根据权利要求1所述的横向离子耦合双电层晶体管结构，其特征在于，所述凝胶电解质的组分包括混合态的高氯酸锂和聚环氧乙烷。4.根据权利要求1所述的横向离子耦合双电层晶体管结构，其特征在于，所述二维半导体材料包括MoS2。5.根据权利要求1所述的横向离子耦合双电层晶体管结构，其特征在于，所述高k材料包括Al2O3。6.一种横向离子耦合双电层晶体管结构的制备方法，其特征在于，包括：提供一半导体衬底；形成覆盖于所述衬底上的介质层；在所述介质层表面上形成作为沟道层的二维半导体材料层；在所述二维半导体材料层两端的表面上形成源极和漏极，以及在所述二维半导体材料层侧面...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨雅芬，王亚荣，张卫，
申请(专利权)人：上海集成电路制造创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：