CN108511519B - 基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管及制备方法 - Google Patents
基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明实施例提供了一种基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管，包括：衬底、第一电极、第二电极、阻变层、二维薄膜、背栅控制信号装置及源漏信号输入装置。本发明实施例还提供了一种基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管的制备方法，用来制备所述基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管。本发明可以实现场效应晶体管的超陡亚阈值摆幅效果。
Description
技术领域
本发明实施例涉及场效应晶体管逻辑器件领域，尤其涉及一种基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管及制备方法。
背景技术
随着摩尔定律的发展，集成电路的尺寸越来越小，性能逐渐提升，然而随着尺寸的缩小，系统的静态功耗凸显并已成为目前亟待克服的问题。由于硅基晶体管基于热载流子发射原理限制，存在亚阈值摆幅60mV/dec的理论极限，但新型超陡亚阈值摆幅器件能够使晶体管在极低电压下工作，因此受到了广泛关注，目前的超陡亚阈值摆幅器件主要分为三类：隧穿晶体管，负电容晶体管，纳电动继电器。
隧穿晶体管主要利用在衬底上相反掺杂的半导体材料以完成更低的亚阈值摆幅。隧穿晶体管的工作原理主要是通过控制栅极电压，以完成本征区能带的变化，进而控制因量子隧道效应而产生的电流而获得低的亚阈值摆幅。
负电容晶体管主要在栅极上利用铁电材料以完成更低的亚阈值摆幅。负电容晶体管的工作原理主要是利用铁电材料的负电容特性，以完成对于栅极电压的放大作用，以实现低的亚阈值摆幅。
纳电动继电器主要是利用横向致动的继电器以完成更低的亚阈值摆幅。纳电动继电器的工作原理主要是利用悬梁和漏极之间的静电力，以完成器件的抬起与合上，以实现低的亚阈值摆幅。
然而对于隧穿晶体管，负电容晶体管以及纳电动继电器而言：隧穿晶体管的低的开态电流限制了对电路的驱动能力；负电容晶体管的磁滞窗口；以及纳电动继电器的空气间隙降低了与主流工艺的兼容性，这些问题都极大限度的制约了场效应晶体管亚阈值摆幅的下限。因此，如何找到一种能够突破现有亚阈值摆幅极限的场效应晶体管，就成为业界亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管及制备方法。
一方面，本发明实施例提供了一种基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管，包括：衬底、第一电极、第二电极、阻变层、二维薄膜、背栅控制信号装置及源漏信号输入装置；
所述衬底，一端连接所述背栅控制信号装置，另一端连接所述二维薄膜，用于为所述第一电极、第二电极及阻变层提供支撑保护作用；所述第一电极，一端与所述二维薄膜连接，另一端与所述背栅控制信号装置及源漏信号输入装置连接，用于导电以完成电流输送；所述第二电极，一端与所述阻变层连接，另一端与所述源漏信号输入装置连接，用于导电以完成电流输送；所述阻变层，一端与所述二维薄膜连接，另一端与所述第二电极连接，用于形成导电细丝以完成阻抗的变化；所述二维薄膜，一端与所述衬底连接，另一端与所述阻变层连接，由于其较低的载流子浓度，电场能够穿透二维薄膜进而调控金属氧化物的通断行为；所述背栅控制信号装置，一端与所述源漏信号输入装置及第一电极连接，另一端与所述衬底连接，用于控制基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管的通断；所述源漏信号输入装置，一端与所述第二电极连接，另一端与所述第一电极及背栅控制信号装置连接，用于控制亚阈值摆幅及基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管的阈值电压。
另一方面，本发明实施例提供了一种基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管的制备方法。包括：制作衬底，所述衬底包括导电层和绝缘层；采用掩膜版图形化的方式或采用机械剥离和干法转移的方式并图形化；采用相应的制作工艺，确定第一电极的位置及面积，同时确定第二电极的位置及面积；在氧气氛围中经过自然氧化形成阻变层。
本发明实施例提供了一种基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管及制备方法，通过在场效应晶体管中引入二维薄膜及阻变层，可以实现场效应晶体管的超陡亚阈值摆幅效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
图1是本发明第一实施例中基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管结构示意图；
图2是本发明第九实施例中基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管制备方法流程图；
图3是本发明实施例中基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管亚阈值摆幅特性示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管及制备方法。本发明的原理：当较大的背栅控制电压输入到衬底下层的导电层时，由于具有半导体特性的二维薄膜的特殊电学性能，导致电场可以穿过二维薄膜，并在电场的作用下影响阻变层中的离子或第二电极上的金属阳离子的移动，阻变层离子离开留下的空位或不断进入阻变层的第二电极上金属阳离子会形成一条电子输运通道，导致电阻较小，完成器件的“开”态过程；当较小的背栅控制电压输入到衬底下层的导电层时，穿过二维薄膜形成的电场与较大的背栅控制电压穿过二维薄膜形成的电场相反，电场的作用下导致阻变层离子由靠近衬底的一侧向自身原本的空位移动，与空位重新结合，或导致金属阳离子返回第二电极，导致电子输运通道与二维薄膜间存在间隙，导致导电细丝断开，电阻增大，完成器件的“关”态过程。由于电流和导电细丝与二维薄膜中间的间隙距离成反指数关系，实现了场效应晶体管的超陡亚阈值摆幅。
参见图1，图1是本发明第一实施例中基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管结构示意图，包括：
衬底101、第一电极102、第二电极103、阻变层104、二维薄膜105、导电层106、绝缘层107、背栅控制信号装置108及源漏信号输入装置109。
所述衬底101，一端连接所述背栅控制信号装置108，另一端连接所述二维薄膜105，用于为所述第一电极102、第二电极103及阻变层104提供支撑保护作用；
所述第一电极102，一端与所述二维薄膜105连接，另一端与所述背栅控制信号装置108及源漏信号输入装置109连接，用于导电以完成电流输送；
所述第二电极103，一端与所述阻变层104连接，另一端与所述源漏信号输入装置109连接，用于导电以完成电流输送；
所述阻变层104，一端与所述二维薄膜105连接，另一端与所述第二电极103连接，用于形成导电细丝以完成阻抗的变化；
所述二维薄膜105，一端与所述衬底101连接，另一端与所述阻变层104连接，用于调控所述阻变层的通断；
所述背栅控制信号装置108，一端与所述源漏信号输入装置109及第一电极102连接，另一端与所述衬底101连接，用于控制基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管的通断；
所述源漏信号输入装置109，一端与所述第二电极103连接，另一端与所述第一电极102及背栅控制信号装置108连接，用于控制亚阈值摆幅及基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管的阈值电压。
本发明的第二实施例基于第一实施例，所述衬底101还包括：绝缘层107及导电层106；
所述绝缘层107，一端与所述二维薄膜105连接，另一端与所述导电层106连接，用于隔离所述背栅控制信号装置108产生的背栅控制信号；
所述导电层106，一端与所述绝缘层107连接，另一端与所述背栅控制信号装置108连接，用于导电以控制电场大小和方向。
本发明的第三实施例基于第一实施例，构成所述二维薄膜105的材料包括：双层石墨烯或其他具有较低载流子浓度的材料。所述双层石墨烯或其他材料作为底部电极，与传统的阻变存储器的底部电极不同，由于其相对较低的载流子浓度，背栅的电场不会完全屏蔽，可以完成背栅的调控作用。
本发明的第四实施例基于第一实施例，阻变层104通过自然氧化形成，包括：自然氧化层等相关具有一定缺陷的材料层(如金属氧化层)。
本发明的第五实施例基于第二实施例，构成所述导电层106的材料包括：掺杂半导体、金属、导电胶、金属氧化物或柔性电极。
本发明的第六实施例基于第一实施例，构成所述第一电极102的材料包括：掺杂半导体、金属、导电胶、金属氧化物或柔性电极。
本发明的第七实施例基于第一实施例，构成所述第二电极103的材料包括：掺杂半导体、金属、导电胶、金属氧化物或柔性电极。
本发明的第八实施例基于第一或第四实施例，阻变层104的厚度范围包括：0.33nm～50nm。
参见图2，图2是本发明第九实施例中基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管制备方法流程图，所述基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管是第一至第八实施例中任一实施例描述的基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管，所述方法包括：
S201：制作衬底，所述衬底包括导电层和绝缘层。
S202：采用掩膜版将二维薄膜转移或剥离到衬底上，并图形化。
S203：采用相应的制作工艺，确定第一电极的位置及面积，同时确定第二电极的位置及面积。
S204：在氧气氛围中经过自然氧化形成阻变层。
本发明的第十实施例基于第九实施例，所述图形化包括：通过曝光，显影，将掩膜版上的图像转移到衬底上。
参见图3，图3是本发明实施例中基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管亚阈值摆幅特性示意图，包括：
漏端电流轴301、背栅控制电压轴302、关状态303、开状态304、14mV/dec曲线305、8.3mV/dec曲线306及4.6mV/dec曲线307。
当源漏信号输入装置电压为2.8V时，在背栅控制信号装置电压逐渐减少至0V的过程中，该晶体管器件的亚阈值摆幅为4.6mV/dec曲线307；源漏信号输入装置电压为1.8V时，在背栅控制信号装置电压逐渐减少至0V的过程中，该晶体管器件的亚阈值摆幅为8.3mV/dec曲线306；源漏信号输入装置电压为1.6V时，在背栅控制信号装置电压逐渐减少至0V的过程中，该晶体管器件的亚阈值摆幅为14mV/dec曲线305。从而实现了基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅导电细丝场效应晶体管器件。
本发明基于新的晶体管工作原理。本发明通过衬底电极形成的电场对于阻变层离子或第二电极的活性金属阳离子的移动进行控制，实现了场效应晶体管开、关态之间超陡的亚阈值摆幅；还可以根据第二电极的偏置作用，促进输运通道的形成和断开，达到了低至4.3mV/dec的超陡亚阈值摆幅。本发明的核心材料为具有低的载流子浓度特性，能够允许电场穿透的二维薄膜，属于全新的材料体系。本发明的核心导电原理在于通过阻变层中导电细丝的形成与断开完成晶体管的开关态转换，属于全新的导电机制。本发明具有良好的工艺兼容性。本发明突破了传统的硅基掺杂工艺中热电子发射机制的技术瓶颈，由于具有半导体特性的二维薄膜具有较低的载流子浓度，能够促使电场穿透二维薄膜，进而调控阻变层的通断，实现超陡峭亚阈值摆幅，同时很多具有以上特性的二维薄膜制备简便，成本低，避免了传统复杂、成本高昂的掺杂过程。制备出的衬底，二维薄膜与阻变层的核心结构，在集成电路领域具有重要应用价值，所述的晶体管元件能够广泛应用在电路，尤其是数字电路领域。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管，其特征在于，包括：
衬底、第一电极、第二电极、阻变层、二维薄膜、背栅控制信号装置及源漏信号输入装置；
所述衬底，一端连接所述背栅控制信号装置，另一端连接所述二维薄膜，用于为所述第一电极、第二电极及阻变层提供支撑保护作用；
所述第一电极，一端与所述二维薄膜连接，另一端与所述背栅控制信号装置及源漏信号输入装置连接，用于导电以完成电流输送；
所述第二电极，一端与所述阻变层连接，另一端与所述源漏信号输入装置连接，用于导电以完成电流输送；
所述阻变层，一端与所述二维薄膜连接，另一端与所述第二电极连接，用于形成导电细丝以完成阻抗的变化，完成所述基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管的“开”态过程或者“关”态过程；
所述二维薄膜，一端与所述衬底连接，另一端与所述阻变层连接，用于调控所述阻变层的通断；
所述背栅控制信号装置，一端与所述源漏信号输入装置及第一电极连接，另一端与所述衬底连接，用于控制基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管的通断；
所述源漏信号输入装置，一端与所述第二电极连接，另一端与所述第一电极及背栅控制信号装置连接，用于控制亚阈值摆幅及基于二维薄膜的超陡亚阈值摆幅场效应晶体管的阈值电压。
2.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其特征在于，所述衬底包括：
绝缘层及导电层；
所述绝缘层，一端与所述二维薄膜连接，另一端与所述导电层连接，用于隔离所述背栅控制信号装置产生的背栅控制信号；
所述导电层，一端与所述绝缘层连接，另一端与所述背栅控制信号装置连接，用于导电以控制电场大小和方向。
3.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其特征在于，构成所述二维薄膜的材料包括：双层石墨烯。
4.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其特征在于，所述阻变层通过氧化形成，包括：自然氧化的氧化层。
5.根据权利要求2所述的场效应晶体管，其特征在于，构成所述导电层的材料包括：掺杂半导体、金属、导电胶、金属氧化物或柔性电极。
6.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其特征在于，构成所述第一电极的材料包括：掺杂半导体、金属、导电胶、金属氧化物或柔性电极。
7.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其特征在于，构成所述第二电极的材料包括：掺杂半导体、金属、导电胶、金属氧化物或柔性电极。
8.根据权利要求1或4所述的场效应晶体管，其特征在于，所述阻变层的厚度范围包括：0.33nm～50nm。
9.一种根据权利要求1至8任一权利要求所述场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
制作衬底，所述衬底包括导电层和绝缘层；采用掩膜版将二维薄膜转移或剥离到衬底上，并图形化；采用相应的制作工艺，确定第一电极的位置及面积，同时确定第二电极的位置及面积；在氧气氛围中经过自然氧化形成阻变层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述图形化包括：通过曝光，显影，将掩膜版上的图像转移到衬底上。
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| CN108511519A (zh) | 2018-09-07 |
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