一种室温多铁半导体存算一体器件制造技术

本发明专利技术属于多铁存储技术领域，具体涉及一种室温多铁半导体存算一体器件。本发明专利技术利用多铁半导体材料，利用场效应晶体管逻辑，在实现高速、低功耗、低成本和室温下正常工作的应用条件下，从运算和存储功能均基于单相多铁半导体材料制成。本发明专利技术的室温多铁半导体存算一体器件通过：施加栅极电压，形成连通沟道，实现多铁半导体运算器的开关功能；同时通过栅极电压控制铁磁极化，实现多铁半导体非易失磁存储功能，进而从根本上解决存储和运算之间得“存储墙”难题。难题。难题。

【技术实现步骤摘要】
一种室温多铁半导体存算一体器件


[0001]本专利技术属于多铁存储
，具体涉及一种室温多铁半导体存算一体器件。

技术介绍

[0002]随着人工智能，大数据，深度学习技术的快速发展，对信息存储和运算能力提出了非常高的要求，需要计算机架构和系统具有高速度、低功耗、小尺寸等特点。
[0003]目前现代计算机采用的是信息处理和存储分离的冯
·
诺依曼架构，而其中存储又分为多个层级，包括易失存储、非易失存储等。易失存储速度快，处于10纳秒量级，而非易失存储速度慢，处于10微秒量级，但运算单元CPU的速度小于1纳秒。存储器速度远低于运算器速度，导致了“存储墙”难题，成为影响计算机性能的重要瓶颈，约40％的功耗消耗在数据的往返传输，这大大降低了运算和存储的协同效率。因此，开发与计算单元CPU速度相符的高速、高密度、低功耗、非易失性室温存储器件成为业界研究的重点和挑战。
[0004]运算器通过存储器来获得指令和待处理数据，逻辑运算后传输给存储器并由存储器向外输出。然而由于存储器与运算器是独立的两个单元，运算器每次命令执行结束后都需要向存储器传输处理后的数据，如此反复的执行命令使得运算效率低下、单位算力不足，极大程度影响了计算机的进一步发展，阻碍了人工智能技术和大数据处理技术的发展。
[0005]现行的非易失存储器有硬盘、闪存、相变存储器、阻变存储器等，大多数都存在一定的局限性。例如：闪存，其擦写速度受限于电子到浮栅极的隧穿，运行速度为10微秒；而相变存储器虽然速度可达到20
‑<br/>100纳秒，但存在能耗高的问题。因此，无法同时满足高速低功耗的需求，无法真正解决存储器与运算器之间的存储墙难题；研发新型的室温存算一体器件，解决冯
·
诺依曼瓶颈，提高效率、降低功耗迫在眉睫。

技术实现思路

[0006]针对上述存在的问题和不足，为解决存储墙难题和现有存储器无法同时满足高速度、低功耗的问题，本专利技术提供了一种室温多铁半导体存算一体器件，基于卤化物多铁，利用场效应晶体管逻辑实现。
[0007]本专利技术目的通过以下技术方案来实现：
[0008]一种室温多铁半导体存算一体器件，包括多铁半导体薄膜、绝缘层、源极、漏极和栅极，工作在室温下。
[0009]所述多铁半导体薄膜为过渡金属卤化物或硫化物MX
n
，其中M为铬Cr、铁Fe、镍Ni、钴Co或锰Mn，X为碘I、溴Br、氯Cl或硫S，n＝1、2、3。多铁半导体薄膜具有铁电性和铁磁性，通过电压改变其铁电和铁磁极化方向。
[0010]所述源极和栅极设置在多铁半导体薄膜上，栅极和多铁半导体薄膜之间设有绝缘层，栅极与多铁半导体薄膜、源极、漏极通过绝缘层相互隔离，源极和栅极之间存在位于多铁半导体薄膜中的导电沟道，源极、漏极与多铁半导体薄膜之间欧姆接触。
[0011]所述栅极电压为V
GS
，多铁半导体薄膜通电的阈值电压为V
T
，多铁半导体薄膜磁调
控阈值电压为V
M
，漏极电压V
DS
和栅极电压V
GS
小于多铁半导体的击穿电压。
[0012]进一步地，利用栅极对多铁半导体薄膜施加正电压后，使多铁半导体薄膜形成导电沟道，连通源极和漏极，此时多铁半导体存算一体器件处于开启状态，表示为1。当未对多铁半导体薄膜施加电压时，多铁半导体薄膜未形成导电沟道，源极和漏极断开，多铁半导体存算一体器件处于截止状态，表示为0。通过改变栅极电压控制源漏极电流，从而控制导电沟道开和关，实现逻辑运算。
[0013]进一步地，利用栅极对多铁半导体薄膜施加正电压后，多铁半导体薄膜发生磁化，栅极电压降至0，多铁半导体器件仍有剩余电极化和剩余磁化，电极化方向向上，磁化方向向上，信息存入，表示为“1”。当栅极电压为负值时，多铁半导体薄膜处于断开状态，多铁半导体薄膜向上剩余电极化减弱直至翻转向下，并发生退磁，多铁半导体器件磁化减弱，逐渐降低栅极电压直至0，此时多铁半导体器件剩余电极化向下，剩余磁化减弱，信息擦除，表示为“0”。
[0014]进一步地，存储信息的读取，通过源极和漏极在多铁半导体薄膜上施加一个微小电流，在磁化向上状态时，电阻为高阻态，信息为存储状态，表示为“1”。在弱磁化状态时，电阻为低阻态，信息为擦除状态，表示为“0”。
[0015]进一步的，当磁调控阈值电压V
M
＞多铁半导体通电的阈值电压V
T
时：
[0016]若V
GS
＜V
T
，且V
GS
＜V
M
，多铁半导体器件处于截止状态。
[0017]若V
GS
≥V
T
，且V
GS
＜V
M
，多铁半导体器件处于开启状态，仅能实现运算功能。
[0018]若V
GS
≥V
T
，且V
GS
≥V
M
，多铁半导体处于开启状态，同时实现运算和存储功能，即实现存算一体。
[0019]进一步地，当多铁半导体通电的阈值电压V
T
＞磁调控阈值电压V
M
时：
[0020]若V
GS
＜V
T
，且V
GS
＜V
M
，多铁半导体器件处于截止状态。
[0021]若V
GS
≥V
M
，且V
GS
＜V
T
，多铁半导体器件处于开启状态，仅能实现存储功能，实现非易失磁存储器。
[0022]若V
GS
≥V
T
，且V
GS
≥V
M
，多铁半导体处于开启状态，同时实现运算和非易失存储功能，实现存算一体。
[0023]进一步地，当栅极电压V
T
为正值且达到极化饱和电压后，多铁半导体的电极化和磁极化同时向上，逐渐降低栅极电压直至0，此时多铁半导体器件留有剩余电极化和剩余磁化，电极化方向向上，磁化方向向上，信息存入，表示为“1”。当施加栅极电压为负值且达到极化饱和电压后，多铁半导体的向上剩余电极化减弱直至翻转向下，剩余磁化方向和强度随之发生，逐渐降低栅极电压直至0，此时多铁半导体器件剩余电极化向下，剩余磁化减弱或向下，信息擦除，表示为“0”。
[0024]进一步的，所述栅极、源极和漏极为金Au、银Ag、铜Cu、铝Al、铬Cr、铂Pt、钯Pd、p型掺杂硅基底、n型掺杂硅基底和/或石墨烯。
[0025]进一步的，所述绝缘层为SiO2、TiO2、ZnO、HfO2、Al2O3、GeO2或hBN。
[0026]综上所述，本专利技术在多铁半导体材料上，利用场效应晶体管逻辑，在实现高速、低功耗、低成本和室温下正常工作的应用条件下，提供了一种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种室温多铁半导体存算一体器件，其特征在于：包括多铁半导体薄膜、绝缘层、源极、漏极和栅极；所述多铁半导体薄膜为过渡金属卤化物或硫化物MX
n
，其中M为铬Cr、铁Fe、镍Ni、钴Co或锰Mn，X为碘I、溴Br、氯Cl或硫S，n＝1、2、3；多铁半导体薄膜具有铁电性和铁磁性，通过电压改变其铁电和铁磁极化方向；所述源极和栅极设置在多铁半导体薄膜上，栅极和多铁半导体薄膜之间设有绝缘层，栅极与多铁半导体薄膜、源极、漏极通过绝缘层相互隔离，源极和栅极之间存在位于多铁半导体薄膜中的导电沟道，源极、漏极与多铁半导体薄膜之间欧姆接触；所述栅极电压为V
GS
，多铁半导体薄膜通电的阈值电压为V
T
，多铁半导体薄膜磁调控阈值电压为V
M
，漏极电压V
DS
和栅极电压V
GS
小于多铁半导体的击穿电压。2.如权利要求1所述室温多铁半导体存算一体器件，其特征在于：当磁调控阈值电压V
M
＞多铁半导体通电的阈值电压V
T
时：若V
GS
＜V
T
，且V
GS
＜V
M
，多铁半导体器件处于截止状态；若V
GS
≥V
T
，且V
GS
＜V
M
，多铁半导体器件处于开启状态，仅能实现运算功能；若V
GS
≥V
T
，且V
GS
≥V
M
，多铁半导体处于开启状态，同时实现运算和存储功能，即实现存算一体。3.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭波，张鑫豪，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：