一种肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件及制备方法

本发明属于微电子器件，具体涉及一种肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件及制备方法。

背景技术：

1、在信息时代，以边缘计算技术为核心的智能物联网技术迎来了迅猛增长，引发了对模拟信息存储和运算的急剧需求，对模拟信号处理芯片的能效和算力提出了巨大挑战。当前广泛采用的传统冯诺依曼架构的模拟信号处理芯片存在存储单元和运算单元在物理上的分离，导致数据传输延时和能量损耗，即“存储墙”问题，成为限制其算力和能效提升的主要障碍。此外，集成电路晶体管密度增长缓慢，面积功能密度受限，也制约了模拟信号处理芯片功能密度、算力和能效的提升。

2、为解决上述技术难题，本发明提供了一种具有肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件及其制备方法。该器件利用肖特基接触结构的双极型导通机制，实现了单一器件内模拟信号倍增和相移等功能，显著减小了模拟信号处理器的面积需求。此外，利用铁电可编程自发极化，该器件能够动态重构非易失性模拟信号调制因子，具备可重构的存内模拟信号处理能力，从而大幅度减轻了因“存储墙”引起的能效和算力瓶颈。基于其可重构特性，该器件还可以动态配置模拟信号处理芯片各单元功能，实现峰值算力的显著提升。

3、综上所述，本发明涉及的肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件及其制备方法，将推动新一代可重构模拟信号处理芯片的发展，实现了算力和能效的显著提升。

技术实现思路

1、一种肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件，通过对栅极金属层施加不同的脉冲电压调整铁电层极化状态，极化电场使得双极性转移特性曲线左右移动，表现出不同的响应关系，实现不同的信号调制功能。

2、肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件包括自下而上依次设置的底电极1、半导体衬底层2；在半导体衬底层2之上的中间区域，自半导体衬底层2而上依次设置为铁电层3、栅极金属层4，半导体沟道层之上的两侧区域，为调制器的源级5和漏极6，源极5和漏极6与半导体沟道层形成肖特基接触；

3、所述半导体衬底层的衬底正面为上，背面为下。

4、肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件的具体操作流程为：

5、步骤1)：定义信号调制器的类型，通过对栅极金属层施加不同的脉冲电压选择调制器的工作状态；

6、步骤2)：源极和底电极接地，漏极接恒定电压，栅极金属层输入调制电压信号；

7、步骤3)：漏极输出调制后的电流信号；

8、步骤4)：如有需要回到步骤1)重新定义调制器类型；

9、脉冲信号和调制信号均为栅极金属层4处的电压信号，其主要区别为：电压幅值，脉冲信号幅值大于铁电层极化翻转电压，可以改变铁电层的极化状态；调制信号电压幅值远小于铁电层极化翻转电压，不会造成铁电层的翻转，同时较小的幅值使得输入和输出的响应关系为转移特性曲线的局部；

10、若步骤1)中，栅极金属层4施加正向脉冲电压，铁电层3极化方向为下，器件极化状态如附图3右下角所示，束缚电荷产生向下的静电场，器件的转移特性曲线向左移动，输出信号和调制信号的响应关系为转移特性曲线的右侧部分，如附图2中上升侧所示，输入信号和输出信号成正相关，调制器表现为信号放大器，响应关系如附图5右侧上方图所示；

11、若步骤1)栅极金属层4施加负向脉冲电压，器件工作状态如附图3左下角所示，铁电层3极化方向为上，束缚电荷产生向上的静电场，器件的转移特性曲线向右移动，输出信号和调制信号的响应关系为转移特性曲线的左侧部分，如附图2中下降侧所示，输入信号和输出信号成负相关，调制器表现为180°的移相器，响应关系如附图5右侧中间图所示；

12、若步骤1)栅极金属层4施加正负交替并不断衰减的脉冲时，器件极化状态如附图3上方所示，铁电层3无宏观极化，因此器件的转移特性曲线不变，输出信号和调制信号的响应关系为转移特性曲线最小值附近，保持为常规晶体管的双极响应特性，输出信号与调制信号呈现类抛物线响应关系，调制信号每经历1个周期，输出信号经历两个周期，其响应关系如附图5右侧下方图所示。

13、如图5所示，经过如上三种不同的极化电压处理后，形成不同的信号调制功能，其功能包括倍频、放大、相移。

14、所述半导体衬底层采用包括si、soi、iii-v族化合物半导体、c、ge的中任意一种。

15、所述铁电层采用包括但不限于钙钛矿结构铁电材料、萤石结构铁电材料以及纤锌矿结构铁电材料中的任意一种。

16、所述底电极、栅极金属层、源极和漏极均采用金属单质或合金中任意一种，例如金属钨、金属钛、金属铜、金属铝、金属铂、金属铱、金属钌、氮化钨、氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛、硅化钽等。

17、一种肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件的制备方法，包括如下：

18、1)选择合适的半导体衬底层，包含但不限于硅衬底、soi基底，并进行表面清洗；

19、2)光刻后刻蚀形成有源区；

20、3)光刻后沉积一层金属层，去除非源漏位置金属材料，源极和漏极金属保留形成肖特基接触；

21、4)利用沉积工艺，在半导体层上方淀积一层铁电材料，形成铁电层；

22、5)利用蒸发或溅射工艺，在铁电层上方淀积一层金属材料；

23、6)光刻图形化后，干法刻蚀形成栅极金属层；

24、7)在衬底底部淀积一层金属材料，形成底电极。

25、所述肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件应用于高度集成的信号调制器阵列和模拟电路存算一体芯片。

26、本发明的有益效果：

27、本发明具备器件级的多功能信号调制和电路可重构的能力，可以应用于模拟存算一体芯片。

28、本发明利用晶体管的双极特性，并且放弃传统硅晶体管抑制双极特性的相关措施，如重掺杂、ldd等，使用轻掺杂或本征的沟道，使得反向隧穿势垒仅有源漏的肖特基接触，使其响应特性呈现对称结构的类抛物线型。

29、由于铁电材料极化特性产生极化电场并保持，极化电场引起调制器电流电压关系左右平移，呈现出不同的响应关系并实现不同的调制功能；

30、通过在栅极施加足够大的脉冲电压以改变铁电层极化，实现不改变硬件的条件下，实现器件级可重构的效果。

技术特征：

1.一种肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件，其特征在于，肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件包括自下而上依次设置为底电极(1)、半导体衬底层(2)；在半导体衬底层(2)之上的中间区域，由下至上依次设置为铁电层(3)、栅极金属层(4)，半导体衬底层(2)之上的两侧区域，为调制器的源级(5)和漏极(6)，源级(5)和漏极(6)形成肖特基接触，积累电子形成源漏掺杂；

2.根据权利要求1所述的一种肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件，其特征在于，具体操作流程为：

3.根据权利要求2所述的一种肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件，其特征在于，载波信号为漏级(6)的电流信号id，调制信号和脉冲信号为栅极金属层(4)的电压信号vg，在不同的栅极金属层(4)电压vg下，漏极(6)电流id会发生显著改变，利用漏极(6)电流id对栅极金属层(4)电压vg的响应进行漏极(6)电流信号的调制；

4.根据权利要求2所述的一种肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件，其特征在于，若步骤1)中，栅极金属层(4)施加正向脉冲电压，铁电层(3)极化方向为下，束缚电荷产生向下的静电场，输入信号和输出信号成正相关，调制器表现为信号放大器；

5.根据权利要求1所述的一种肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件，其特征在于，所述半导体衬底层(2)采用包括si、soi、iii-v族化合物半导体、c、ge的中任意一种。

6.根据权利要求1所述的一种肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件，其特征在于，所述铁电层(3)采用包括但不限于钙钛矿结构铁电材料、萤石结构铁电材料以及纤锌矿结构铁电材料中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的一种肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件，其特征在于，所述底电极(1)、栅极金属层(4)、源极(5)和漏极(6)均采用金属单质或合金中任意一种，例如金属钨、金属钛、金属铜、金属铝、金属铂、金属铱、金属钌、氮化钨、氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛、硅化钽等。

8.权利要求1-7任一项所述的一种肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件的制备方法，其特征在于，包括如下：

9.权利要求1-8任一项所述的肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件，其特征在于，肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件应用于高度集成的信号调制器阵列和模拟电路存算一体芯片。

技术总结本发明公开了一种肖特基接触结构的可重构存内模拟信号调制器件及制备方法，通过对栅极金属层施加不同的脉冲电压改变铁电层极化状态，极化电场使得双极性转移特性曲线左右移动，源极的源流端电流为载波，栅极金属层的栅极电压的波动为调制波，在不同的铁电层极化状态下，表现出不同的响应关系，实现不同的信号调制功能。本发明通过改变脉冲电压改变铁电层极化状态使得双极性转移特性曲线左右移动，实现不同的信号调制功能，可应用于高度集成的信号调制器阵列和模拟存算一体芯片。技术研发人员：周久人,王兴辉,郑思颖,韩根全,郝跃受保护的技术使用者：西安电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27