CN115863391A - 二维mfmis开关及存储器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及二维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‑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。

Description

二维MFMIS开关及存储器件及其制备方法

技术领域

本申请涉及二维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。

背景技术

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；

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；

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，发明人提出二维MFMIS开关及存储器件及其制备方法。

发明内容

本发明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，用来解决背景技术提出的问题。

为了达到上述目的，本发明提供以下基础方案：

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；

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。

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：

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；

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；

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；

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；

S5：对制作完毕的上述器件真空退火处理。

本基础方案的原理及效果在于：

1.与现有技术相比，本发明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。

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。

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。

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。

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_。

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。

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。

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。

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

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。

图1示出了本申请实施例提出的二维MFMIS开关及存储器件的三维结构示意图；

图2示出了本申请实施例提出的二维MFMIS开关及存储器件的正剖视图；

图3示出了本申请实施例提出的二维MFMIS开关及存储器件的的右剖视图；

图4为本发明提出的关于二维MFMIS器件的存储性能的源漏电流-栅压(Ids-Vgs)曲线图；

图5为本发明提出的关于二维MFMIS器件的存储性能的漏电流-栅压(Igs-Vgs)曲线图；

图6为本发明提出的关于二维MFMIS器件的存储性能的源漏电流保持特性(Ids-t)曲线图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

说明书附图中的附图标记包括：衬底101、二维半导体纳米片102、二维h-BN纳米片103、石墨烯纳米片104、二维铁电纳米片105、源端电极106、漏端电极107、中间栅电极108、顶栅电极109。

实施例如图1、图2、图3、图4和图5所示：

实施例1：二维MFMIS开关及存储器件，将单晶n型或者p型掺杂硅片通过干法氧化的方式形成Si/SiO2衬底；二维半导体纳米片作为沟道材料，覆盖于Si/SiO2衬底之上；二维h-BN纳米片作为绝缘层，边缘与二维半导体纳米片对齐且覆盖于其上；二维石墨烯纳米片，一端覆盖于二维半导体纳米片与二维h-BN纳米片的重叠区域，且边缘对齐，一端覆盖于衬底之上；二维铁电材料纳米片实现铁电极化，覆盖于二维半导体纳米片、二维h-BN纳米片和二维石墨烯纳米片三者的重叠区域，且边缘对齐；对于源端电极、漏端电极、中间栅电极和顶栅电极采用导电金属材料，其中源端电极和漏端电极分别设置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侧，为器件的开关控制端，顶栅电极覆盖于二维铁电纳米片之上，为器件的存储控制端；

所述器件的开关功能由二维半导体纳米片、源端电极、漏端电极、二维h-BN纳米片、石墨烯纳米片104及由其引出的中间栅电极构成的场效应晶体管结构实现。

器件的存储功能由二维半导体纳米片、源端电极、漏端电极107、二维h-BN纳米片、石墨烯纳米片、二维铁电纳米片和顶栅电极构成的铁电晶体管结构实现。

所述金属-铁电-金属-绝缘-半导MFMIS结构为二维半导体纳米片102、二维h-BN纳米片103、石墨烯纳米片104、二维铁电纳米片105、顶栅电极109构成。

其中金属-绝缘层-半导体结构依次为石墨烯纳米片104、二维h-BN纳米片以及二维半导体纳米片，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。

其中金属-铁电-金属-绝缘-半导结构依次为顶栅电极、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，实现非易失性存储功能。

实施例2，其衬底采用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一种，厚度10-300μm；二维半导体纳米片包括WSe2、MoS2、MoTe2、WS2、黑磷(BP)或其他具备半导体特性的二维层状材料，厚度为1～15nm；具体为7nm；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；具体为18nm，石墨烯纳米片104是具备导电特性的二维层状材料，厚度为6-10nm；二维半导体纳米片的厚度为1-10nm。

实施例3，二维铁电纳米片105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；具体为76nm；源端电极106、漏端电极107、中间栅电极108和顶栅电极109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，包括：石墨烯或ITO，厚度为20-100nm，具体为60nm。

为了实现本器件更好的使用，本方案还公开了二维MFMIS开关及存储器件的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将单晶n型或者p型掺杂硅片通过高温氧化的方式形成Si/SiO2衬底，将衬底依次置于丙酮、酒精和去离子水中超声清洗5分钟；步骤2：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；

步骤3：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；

步骤4：使用粘性胶带将石墨烯材料、h-BN材料和铁电材料机械剥离到合适的厚度；

步骤5：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；

步骤6：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石墨烯纳米片的一端覆盖于二维半导体纳米片与二维h-BN纳米片重叠区域之上，石墨烯纳米片的另一端覆盖于衬底之上；

步骤7：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铁电纳米片覆盖于二维半导体纳米片、二维h-BN纳米片和石墨烯纳米片三者的重叠区域之上；

步骤8：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；

步骤9：在真空、200℃条件下，对器件退火处理2h。

本实施例中，在二维半导体纳米片两端通过光刻或者电子束曝光工艺制作源漏端电极，采用的具体步骤为：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。

本实施例中，采用Scotch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。

本实施例中，通过干法转移装置，通过对准、贴合、释放三个步骤完成不同二维材料之间的范德华异质结的堆叠工作；

由此完成了二维MFMIS开关及存储器件。

本发明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如图4、5、6所示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

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；二维半导体纳米片的厚度为1-10nm。

6.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。

7.一种二维MFMIS开关及存储器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：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；

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；

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；

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；

S5：对制作完毕的上述器件真空退火处理。

8.根据权利要求7所述的一种二维MFMIS开关及存储器件及其制备方法，其特征在于，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。

9.根据权利要求7所述的一种二维MFMIS开关及存储器件及其制备方法，其特征在于，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。

10.根据权利要求7所述的一种二维MFMIS开关及存储器件及其制备方法，其特征在于，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。

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