[發明專利]基于二維半導體溝道的雙鐵電柵晶體管

在審

• 申請號: 202210091286.3
• 申請日: 2022-01-26
• 公開（公告）號: CN114464681A
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 劉艷;羅拯東;楊麒玉;檀東昕;韓根全;郝躍
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L21/34
• 代理公司: 西安文盛專利代理有限公司 61100
• 代理人: 佘文英

本發明公開了一種基于二維半導體溝道的雙鐵電柵晶體管，彌補了傳統鐵電場效應二維晶體管在存內計算方面的不足。包括在襯底上依次由上至下豎直分布的頂柵電極層、頂部鐵電層、二維半導體溝道層、底部鐵電層、底柵電極層；源極、漏極分別位于頂部鐵電層兩側。底柵電極、漏極、源極和頂柵電極層采用金屬Au材料，二維半導體溝道層采用MoS₂或MoTe₂材料，底部鐵電層和頂部鐵電層均采用P(VDF?TrFE)材料。本發明通過雙鐵電柵耦合效應對TMDC溝道進行電調控，實現對于TMDC溝道的非易失導電率調整。同時，雙鐵電柵二維晶體管采用上下鐵電層的獨立極化作為兩個邏輯輸入，可根據雙鐵電柵中極化方向的4種不同組合實現雙輸入布爾存儲邏輯運算及其邏輯態的非易失保持，從而得到存內計算的功能。

技術領域

本發明屬于微電子器件技術領域，特別涉及一種可使用單晶體管結構實現存內計算的雙鐵電柵二維晶體管，這有助于推動下一代高能效比和高面積效率的存內計算器件的發展。

背景技術

隨著人工智能物聯網(AIoT)、機器人和邊緣計算等新興智能應用的出現，智能設備的信息處理系統需要實時、高效地處理海量非結構數據。然而，傳統信息處理系統由于受限于傳統馮-諾伊曼架構的“內存墻”瓶頸，已經難以滿足當前智能設備的數據密集型計算的需要。存內計算就是針對“內存墻”難題而提出的技術方案，該技術的關鍵在于構建內存和邏輯模塊為一體的器件，從而徹底消除數據在內存和邏輯模塊間傳輸的時間和能量消耗，提高計算能效比。

鐵電場效應二維晶體管因其具有較大的電阻開關比、操作電壓低、數據保持時間長等特點被逐漸用作可替代傳統FLASH的新型數據存儲器件。然而，受制于其單柵結構，可實現單晶體管布爾邏輯門的鐵電場效應二維晶體管還未有報道。

發明內容

本發明的目的在于針對傳統鐵電場效應二維晶體管在存內計算方面的不足，結合超薄二維半導體材料受雙鐵電耦合極化控制的特性，提供一種基于二維半導體溝道的雙鐵電柵晶體管及其制備方法，實現單晶體管內的布爾邏輯和數據存儲操作，從而獲得存內計算功能。

本發明的技術方案如下：

一、技術原理：

根據材料特性研究表明，二維過渡金屬硫化物(TMDC)半導體溝道具有獨特的能帶可調性，可通過鐵電柵極化的控制來得到不同的溝道導電率及其非易失保持。在傳統鐵電場效應二維晶體管內引入雙鐵電柵結構(雙鐵電柵二維晶體管)，可通過雙鐵電柵耦合效應對TMDC溝道進行電調控，實現對于TMDC溝道的非易失導電率調整。同時，雙鐵電柵二維晶體管采用上下鐵電層的獨立極化作為兩個邏輯輸入，可根據雙鐵電柵中極化方向的4種不同組合實現雙輸入布爾存儲邏輯運算及其邏輯態的非易失保持，從而得到存內計算的功能。

二、器件結構

根據此原理發明的基于二維半導體溝道的雙鐵電柵晶體管，包括：襯底、底柵電極、底部鐵電層、二維半導體溝道層、源極、漏極、頂部鐵電層、頂柵電極；頂柵電極、頂部鐵電層、二維半導體溝道層、底部鐵電層、底柵電極在襯底上依次由上至下豎直分布，且源極、漏極分別位于頂部鐵電層兩側。

其中底柵電極、漏極、源極和頂柵電極采用金屬Au材料。

其中底部鐵電層和頂部鐵電層均采用P(VDF-TrFE)材料。

其中二維半導體溝道層采用二維過渡金屬硫化物(TMDC)MoS₂或MoTe₂材料。

制作上述本發明器件的方法，包括如下步驟：

(1)利用溶膠-凝膠旋涂工藝，在覆有Au下電極的SiO₂/Si襯底上制成P(VDF-TrFE)(70:30mo l％)薄膜(厚度約150nm)作為底部鐵電層；