一种基于铌酸锂单晶薄膜外场调控纳米级逻辑门的方法

本发明属于半导体，涉及mems材料制备，具体为一种基于铌酸锂单晶薄膜外场调控纳米级逻辑门的方法。

背景技术：

1、随着mems加工工艺的不断进步，器件小型化、功能集成化程度得到了长足的发展。现有逻辑器件面临着器件功耗大、尺寸大、热稳定性差等问题，在诸多场合应用受到了限制。目前，由于铁电材料中带电畴壁的深入研究，纳米畴壁的擦除和重构是纳米级逻辑器件制造的主要方法之一。传统ttl与cmos门电路，由于设计结构复杂、材料在恶劣环境下很难保持性能等原因很难制备可靠的低功耗、小尺寸、稳定性高的逻辑门电路。并且随着逻辑器件的深入应用，对器件输出延时、功耗、尺寸的要求越来越高。因此，研发尺寸小、功耗低、稳定性高的逻辑门电路已经成为现在科研人员角逐的目标。

2、铌酸锂是一种无铅铁电单晶，具有居里温度高，畴壁倾角单一等特点，在外场调控纳米级逻辑器件中具有很高的研究价值。传统的逻辑器件普遍为ttl和cmos结构，在逻辑器件的制备中，需要往往多重三极管或mos管等架构制备，但是这些逻辑门往往结构复杂、功耗较大。

技术实现思路

1、本发明目的是提出一种基于铌酸锂单晶薄膜外场调控纳米级逻辑门的方法，可以解决传统的铁电畴壁逻辑器件难以利用pfm外场调控畴结构的方法能够直接控制逻辑的问题。

2、本发明是采用如下技术方案实现的：

3、一种基于铌酸锂单晶薄膜外场调控纳米级逻辑门的方法，包括如下步骤：

4、步骤s1、在铌酸锂单晶（linbo3，ln）表面进行离子注入后形成损伤层，之后溅射金属层；在另一块铌酸锂单晶衬底上生长一层二氧化硅绝缘层；

5、将铌酸锂单晶与铌酸锂单晶衬底直接键合，在退火后剥离损伤层得到单晶铌酸锂薄膜，并利用减薄、抛光工艺制备光学级的铌酸锂薄膜，从下往上依次为ln/sio2/cr/ln。

6、步骤s2、将pfm设备打开至在single frequency pfm模式，将针尖输出电压从直流电压调整为交流电压。

7、步骤s3、利用pfm设备显微镜选定需要极化的区域，并设置合适的电压频率。

8、步骤s4、在litho模式下选择条纹型灰度图以及合适的电压幅值，完成第一次交流极化调控纳米畴结构形成。

9、步骤s5、改变极化方向后，完成第二次交流极化调控钩型纳米畴结构形成。

10、步骤s6、设计带电畴壁的通断实验，验证铌酸锂单晶薄膜带电畴壁的开关特性。

11、步骤s7、基于通断实验结果，应用钩型纳米畴结构设计逻辑“非门”、“或非门”、“与非门”结构；其中，输入状态的定义为：擦除带电畴壁定义为逻辑输入“0”，重构带电畴壁定义为逻辑输入“1”；输出状态的定义为：高电阻状态定义为逻辑输出“1”，低电阻状态定义为逻辑输出“0”。

12、进一步优选的，两次极化下钩型纳米畴的夹角为85°～95°。通断实验为带电畴壁的擦除和重构，带电畴壁的擦除电压为负电压，带电畴壁的重构电压为正电压。

13、进一步优选的，步骤s1中，注入离子为氦离子；he+离子注入的能量范围是35kev～400kev，注入剂量大于1×1013ions/cm2；金属层为厚度100nm的cr层；用气相沉积法在另一块铌酸锂单晶衬底上生成厚度2μm的二氧化硅绝缘层。步骤s2中，针尖输出电压为正弦信号的交流电压。步骤s3中，电压频率为1～50hz。步骤s4中，电压幅值为80～130v。

14、本发明方法是在制备好的ln/sio2/cr/ln键合片上，选择需要极化的区域，利用pfm针尖施加频率、幅值可控的交流电压，完成第一次极化，改变极化方向，完成第二次极化，实现两次电畴翻转制备“钩型”电畴结构，并设计通断实验，验证实验可行性，最后完成逻辑“非门”、“或非门”、“与非门”的逻辑电路设计。

15、不同于传统逻辑器件的复杂结构，本发明基于纳米畴壁开关比高、能耗低的特性，利用pfm输出交流电压调控纳米级“钩型”电畴结构，成功制备了具备可靠逻辑功能的纳米级逻辑门，有效解决了传统的门电路功耗高、尺寸大以及结构复杂等问题，制得产物不惧各种恶劣环境，具有功耗低，尺寸小，结构简单，稳定性好、可靠性高、环境友好（不含铅）等优点。

16、本发明设计合理，基于交流电畴调控中出现的两种不同倾角的特性，制备倾角约为90°的“钩型”畴结构，利用纳米级带电畴壁高开关比特性的设计方法，系统研究铁电单晶薄膜外场调控技术，对突破纳米器件制造提升局限及高稳定性畴壁元件的研制和应用推广具有重要科学意义和应用价值。

技术特征：

1.一种基于铌酸锂单晶薄膜外场调控纳米级逻辑门的方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂单晶薄膜外场调控纳米级逻辑门的方法，其特征在于：两次极化下钩型纳米畴的夹角为85°～95°。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于铌酸锂单晶薄膜外场调控纳米级逻辑门的方法，其特征在于：带电畴壁的擦除电压为负电压，带电畴壁的重构电压为正电压。

4.根据权利要求3所述的一种基于铌酸锂单晶薄膜外场调控纳米级逻辑门的方法，其特征在于：步骤s1中，注入离子为氦离子；he+离子注入的能量范围是35kev～400kev，注入剂量大于1×1013ions/cm2。

5.根据权利要求4所述的一种基于铌酸锂单晶薄膜外场调控纳米级逻辑门的方法，其特征在于：步骤s1中，金属层为厚度100nm的cr层；用气相沉积法在另一块铌酸锂单晶衬底上生成厚度2μm的二氧化硅绝缘层。

6.根据权利要求5所述的一种基于铌酸锂单晶薄膜外场调控纳米级逻辑门的方法，其特征在于：步骤s2中，针尖输出电压为正弦信号的交流电压。

7.根据权利要求6所述的一种基于铌酸锂单晶薄膜外场调控纳米级逻辑门的方法，其特征在于：步骤s3中，电压频率为1～50hz。

8.根据权利要求7所述的一种基于铌酸锂单晶薄膜外场调控纳米级逻辑门的方法，其特征在于：电压频率为10～30hz。

9.根据权利要求8所述的一种基于铌酸锂单晶薄膜外场调控纳米级逻辑门的方法，其特征在于：步骤s4中，电压幅值为80～130v。

10.根据权利要求9所述的一种基于铌酸锂单晶薄膜外场调控纳米级逻辑门的方法，其特征在于：电压幅值为90～110v。

技术总结本发明属于半导体技术领域，涉及MEMS材料制备，具体为一种基于铌酸锂单晶薄膜外场调控纳米级逻辑门的方法，LN/SiO<subgt;2</subgt;/Cr/LN的铌酸锂键合片上，在Single Frequency PFM模式下将针尖输出电压调整为交流电压，利用两次交流极化调控成约90°夹角畴结构，制备“钩型”电畴结构，并基于此设计逻辑“非门”、“或非门”、“与非门”。本发明基于交流电畴调控中出现的两种不同倾角的特性，制备倾角约为90°的“钩型”畴结构，利用纳米级带电畴壁高开关比特性，有效解决了传统的逻辑器件尺寸大、功耗高等问题，制得产物不惧各种恶劣环境，功耗低、开关比高、重复性强，具有稳定性、低能耗、可重复等优点。技术研发人员：耿文平,乔骁骏,陆昊,丑修建,牛丽雅,李稼禾,余楠鑫,段志刚,张亦驰,游亚军受保护的技术使用者：中北大学技术研发日：技术公布日：2024/1/12