二维MFMIS开关及存储器件及其制备方法技术

本发明专利技术涉及二维MFMIS开关及存储器件技术领域，具体公开了二维MFMIS开关及存储器件及其制备方法，包括从下往上依次设置的衬底、二维半导体纳米片、二维h

【技术实现步骤摘要】
二维MFMIS开关及存储器件及其制备方法


[0001]本申请涉及二维MFMIS开关及存储器件
，具体公开了二维MFMIS开关及存储器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]在大数据时代条件下，对高性能处理器的功耗、计算速度以及智能化程度提出了更高的要求，传统的硅基场效应晶体管(MOSFET)通过栅极电压控制实现简单的开关功能，其在集成度、功耗以及功能多样性方面，越来越难以满足复杂处理器逻辑电路的设计要求，例如目前在类脑计算系统中，要求单一器件单元同时具备存储和计算的功能；对于存储功能，铁电场效应晶体管FeFET，在MOSFET器件结构的基础上，通过采用铁电层替代介质层的方式，在栅极施加外加电场改变铁电层的剩余极化强度以及方向，来实现对沟道材料电导特性的非易失性调控，但基于传统的硅基半导体工艺难以在单一器件中同时实现开关以及存储功能；
[0003]在现有技术中，已提出了二维多功能开关存储器件的设计及制备技术，其通过二维范德华异质结和传统硅基场效应管结合的方式实现多功能开关存储器件的设计以及制备；
[0004]然而，目前在传统硅基沟道材料上通过外延生长方式得到的铁电层在界面处存在晶格失配、离子扩散严重以及热稳定差等问题，对器件性能造成极大影响，严重影响传统FeFET的大规模商用；上述现有技术中的二维多功能开关存储器件，其是二维范德华异质结和传统硅基场效应管结合的结构，其在器件的功耗、非易失性存储保持能力、柔性方面还是存在传统硅基器件的不足之处，鉴于此，专利技术人提出二维MFMIS开关及存储器件及其制备方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提出一种全二维MFMIS结构的开关及存储器件的设计及其制备方法，用来解决
技术介绍
提出的问题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术提供以下基础方案：
[0007]二维MFM I S开关及存储器件及其制备方法，包括从下往上依次设置的衬底、二维半导体纳米片、二维h
‑
BN纳米片、二维石墨烯纳米片和二维铁电纳米片，所述二维半导体纳米片、二维h
‑
BN纳米片、二维石墨烯纳米片和二维铁电纳米片的覆盖面积均不超过位于各自下层的面积，二维石墨烯纳米片一端覆盖二维半导体纳米片，另一端伸出覆盖于衬底之上；
[0008]还包括源端电极、漏端电极、中间栅电极和顶栅电极，所述源端电极和漏端电极位于二维半导体纳米片的两端，中间栅电极设置于二维石墨烯纳米片覆盖于衬底的一端，顶栅电极设置于二维石墨烯纳米片与二维h
‑
BN纳米片重叠区域上。
[0009]为此，还公开了一种二维MFM IS开关及存储器件的制备方法，包括以下步骤：
[0010]S1：将单晶n型或者p型掺杂硅片通过高温氧化形式形成Si/SiO2衬底；
[0011]S2：通过机械剥离或者CVD生长的方法得到二维半导体纳米片,并通过干法转移平台转移到衬底之上；使用PDMS(聚二甲基硅氧烷片)通过干法转移装置将机械剥离得到的二维h
‑
BN纳米片覆盖于二维半导体纳米片之上；石墨烯纳米片和二维铁电纳米片的制备和上述相同；
[0012]S3：采用光刻或者电子束曝光及电子束蒸发镀膜的方法在二维半导体纳米片两端制作源端电极和漏端电极；
[0013]S4：采用电子束曝光及电子束蒸镀的方法在石墨烯纳米片覆盖于衬底的一端以及二维铁电纳米片之上分别制作中间栅电极和顶栅电极；
[0014]S5：对制作完毕的上述器件真空退火处理。
[0015]本基础方案的原理及效果在于：
[0016]1.与现有技术相比，本专利技术中器件的功能材料全部是二维层状材料，能够突破传统硅基材料量子效应的影响，器件集成度高，功耗低。衬底可以为传统硅基材料，也可以为柔性材料，极大的扩展了器件的适用范围，其中石墨烯纳米片在引出中间栅电极实现器件开关功能的同时，能有效提升二维铁电纳米片的铁电极化保持能力，提升器件的存储性能，全二维的MFMIS的范德华异质结，存在结构简单，读写速度快、高循环耐久性、低功耗以及高存储密度的优点。
[0017]进一步，石墨烯纳米片、二维h
‑
BN纳米片和二维半导体纳米片组成金属
‑
绝缘层
‑
半导体结构，通过在石墨烯纳米片上设置中间栅电极，在二维半导体纳米片两端设置源端和漏端电极，得到场效应晶体管(MOSFET)。实现开关功能。
[0018]进一步，顶栅电极、二维铁电纳米片、石墨烯纳米片、二维h
‑
BN纳米片、二维半导体纳米片、源端电极和漏端电极组成金属
‑
铁电
‑
金属
‑
绝缘
‑
半导结构。实现非易失性存储功能。
[0019]进一步，所述衬底采用柔性材料，柔性材料选自聚酰亚胺、聚苯二甲酸乙二醇酯或聚对萘二甲酸乙二醇酯的任意一种，厚度10
‑
300μm。
[0020]进一步，所述二维h
‑
BN纳米片是具备绝缘特性的二维层状材料，厚度为6
‑
25nm；石墨烯纳米片是具备导电特性的二维层状材料，厚度为6
‑
10nm；二维铁电纳米片为CuInP2S6、α
‑
In2Se3，或存在面外铁电极化特性的二维铁电材料，厚度为25
‑
150nm；二维半导体纳米片的厚度为1
‑
10nm
。
[0021]进一步，所述源端电极、漏端电极、中间栅电极和顶栅电极包括以下材料中的至少一种：Au、Pt、Al、Ti、Ni、Ag或者为具有导电特性的电极，厚度为20
‑
100nm。
[0022]进一步，在步骤S1中，将衬底依次置于丙酮、酒精和去离子水中超声清洗5分钟；在步骤S4中，真空温度200℃条件下，对器件退火处理时间为2h。
[0023]进一步，在步骤S3中，对覆盖有二维半导体纳米片的衬底采用丙酮和去离子水依次清洗，烘干，旋涂光刻胶1um厚、前烘、对准、曝光、显影、电子束蒸镀金属，最后采用lift
‑
off工艺去除光刻胶，得到覆盖于二维半导体纳米片两端的源端电极和漏端电极。
[0024]进一步，在步骤S2中，采用胶带粘取二维材料体材，再用干净的新胶带与粘有二维材料的胶带进行对粘后撕开，重复该方式5
‑
6次，得到含单层或者少层的二维材料胶带,最后将含单层和少层的二维材料纳米片胶带与干法转移用的PDMS对粘，最终得到含单层或者
少层二维材料的PDMS，用于后续步骤的干法转移。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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。
[0026]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.二维MFMIS开关及存储器件，其特征在于：包括从下往上依次设置的衬底、二维半导体纳米片、二维h
‑
BN纳米片、二维石墨烯纳米片和二维铁电纳米片，所述二维半导体纳米片、二维h
‑
BN纳米片、二维石墨烯纳米片和二维铁电纳米片的覆盖面积均不超过位于各自下层的面积，二维石墨烯纳米片一端覆盖二维半导体纳米片，另一端伸出覆盖于衬底之上；还包括源端电极、漏端电极、中间栅电极和顶栅电极，所述源端电极和漏端电极位于二维半导体纳米片的两端，中间栅电极设置于二维石墨烯纳米片覆盖于衬底的一端，顶栅电极设置于二维石墨烯纳米片与二维h
‑
BN纳米片重叠区域上。2.根据权利要求1所述的二维MFMIS开关及存储器件其特征在于，石墨烯纳米片、二维h
‑
BN纳米片和二维半导体纳米片组成金属
‑
绝缘层
‑
半导体结构，通过在石墨烯纳米片上设置中间栅电极，在二维半导体纳米片两端设置源端和漏端电极，得到场效应晶体管(MOSFET)。3.根据权利要求1所述的二维MFMIS开关及存储器件，其特征在于，顶栅电极、二维铁电纳米片、石墨烯纳米片、二维h
‑
BN纳米片、二维半导体纳米片、源端电极和漏端电极组成金属
‑
铁电
‑
金属
‑
绝缘
‑
半导结构。4.根据权利要求1所述的二维MFMIS开关及存储器件，其特征在于，所述衬底采用柔性材料，柔性材料选自聚酰亚胺、聚苯二甲酸乙二醇酯或聚对萘二甲酸乙二醇酯的任意一种，厚度10
‑
300μm。5.根据权利要求1所述的二维MFMIS开关及存储器件，其特征在于，所述二维h
‑
BN纳米片是具备绝缘特性的二维层状材料，厚度为6
‑
25nm；石墨烯纳米片是具备导电特性的二维层状材料，厚度为6
‑
10nm；二维铁电纳米片为CuInP2S6、α
‑
In2Se3，或存在面外铁电极化特性的二维铁电材料，厚度为25
‑
150nm...

【专利技术属性】
技术研发人员：成杰，郑煜，段吉安，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：