基于锗/Ⅲ-Ⅴ族半导体PN结隧穿效应的单晶体管TCAM/MCAM单元

本发明属于半导体与集成电路领域，具体涉及一种基于锗/ⅲ-ⅴ族半导体pn结隧穿效应的单晶体管三态内容可寻址存储器(tcam)/多值内容可寻址存储器(mcam)单元，能够应用于高密度并行搜索和存内搜索等场合。

背景技术：

1、cam和tcam作为一种高速搜索引擎，可在一个时钟周期内同时搜索整个表项空间的所有数据，速度不受表项空间数据大小影响，大大降低了查找过程的时间复杂度。其中，cam的每个bit位只有“0”和“1”两个状态，仅能够进行精确匹配查找，即只有当一个地址上的所有字节匹配时，其访问结果才显示为匹配。tcam在此基础上，增加了一个“don’t care(x)”状态，其可以作为第三种状态特征与输入数据(“0”或“1”)匹配，从而支持tcam同时进行精确匹配搜索和模糊匹配搜索。用tcam的方式进行路由表和访问控制的内容寻址，对于提升网络传输速度和性能来说有重要的意义，也为硬件支持的高速新型的网络传输协议也提供了硬件支撑。

2、传统cmos关联的cam和tcam设计存在密度低，功耗高和难以实现基于距离计算的相似度比较等问题，无法应对ipv6的应用和人工智能催生的各种新型计算架构所带来的挑战。因此，不同的nvm技术被用来实现tcam/mcam搜索功能，以设计面积更小和能效更高的非易失性tcam/mcam结构，例如基于阻变随机存储器(reram)的2t2r-tcam结构和基于铁电场效应晶体管(fefet)的2fefet-tcam结构。然而，这些结构仍受限于需要用到两个互补结构来存储内容寻址器所需的三态和多态。

3、基于铁电隧穿场效应晶体管(fetfet)的1fetfet-tcam/mcam设计被提出，其只通过一个硅(si)基晶体管即可实现tcam/mcam单元设计，避免了两个互补结构，大幅度降低了硬件代价。然而，鉴于si的禁带宽度较大(1.12ev)，其存在隧穿效率低，导致隧穿电流过小的问题，从而限制了搜索速度。本发明针对以上提到的tcam/mcam密度低和隧穿效率低等问题提出了解决方案。

技术实现思路

1、本发明针对以上现有tcam/mcam设计中存在的不足，提出了一种基于锗/ⅲ-ⅴ族半导体pn结隧穿效应的单晶体管tcam/mcam单元，利用锗(0.66ev)/ⅲ-ⅴ族半导体(包括但不限于砷化铟、锑化镓、锑化铟)比硅(1.12ev)更小的禁带宽度，实现更大的隧穿电流密度，使晶体管的转移特性曲线展现出更好的双极性，不同阈值电压下的双极性转移特性曲线能够实现tcam单元的“0”、“1”、“x”三态存储和mcam单元的多态存储。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、本发明提供一种基于锗/ⅲ-ⅴ族半导体pn结隧穿效应的单晶体管tcam/mcam单元，包括pn结结构、沟道结构、栅极介质结构和电极结构；所述pn结结构为重掺杂型的锗/ⅲ-ⅴ族半导体材料，使得晶体管具有双极性转移特性曲线；所述沟道结构为锗/ⅲ-ⅴ族半导体材料；所述栅极介质结构能够调节晶体管的阈值电压；所述电极结构为晶体管的漏极、源极和栅极，分别作为tcam/mcam单元的匹配线ml、源线scl和搜索线sl。

4、进一步地，所述pn结结构为重掺杂型的锗或ⅲ-ⅴ族半导体材料，掺杂浓度满足使得pn结结构与沟道结构之间具有单向导通性。

5、进一步地，所述pn结结构采用ⅲ-ⅴ族半导体材料时，其禁带宽度需小于硅(1.12ev)的禁带宽度，包括但不限于砷化铟(0.45ev)、锑化镓(0.725ev)和锑化铟(0.18ev)。

6、进一步地，所述pn结结构的禁带宽度均小于硅的禁带宽度，能够提供比硅更大的隧穿电流密度，使晶体管的转移特性曲线展现出更好的双极性。

7、进一步地，所述沟道结构为锗/ⅲ-ⅴ族半导体材料，通常与pn结结构的材料相同，包括但不限于锗、砷化铟、锑化镓和锑化铟。

8、进一步地，所述栅极介质结构，能够通过非易失性存储行为来调节晶体管的阈值电压，包括但不限于能够通过电荷俘获效应、铁电效应、阻变效应和相变效应调节阈值电压的介质。

9、进一步地，所述电极结构中，ml用于检测查询数据和存储数据是否匹配的结果，sl用于输入查询数据，scl用于配合ml和sl施加相应电压来实现对存储数据的搜索；搜索过程中，sl施加与查询数据对应的电压，scl接地或0v，若ml检测到电流高于参考电流阈值或者电压低于参考电压阈值，则表示失配；反之，则表示匹配。

10、进一步地，针对tcam单元，能够通过控制晶体管转移特性曲线的三个不同阈值电压来实现tcam的“0”、“1”和“x”三态存储。当晶体管存储“0”时，通过在sl施加搜索“0”对应的电压，晶体管将处于关闭状态，ml输出为匹配；当晶体管存储“1”时，通过在sl施加搜索“0”对应的电压，晶体管将处于导通状态，ml输出为失配。当晶体管处于状态“x”时，通过在sl施加搜索“0”对应的电压，晶体管将处于关闭状态，ml输出为匹配；搜索“1”的情况类似。

11、进一步地，针对mcam单元，能够通过精确控制晶体管转移特性曲线的多个不同阈值电压来实现mcam的多态存储。例如，通过四个不同阈值电压的晶体管转移特性曲线来存储“00”、“01”、“10”和“11”四个状态。当晶体管存储“00”时，在sl施加搜索“00”对应的电压时，晶体管处于关闭状态，ml输出为匹配；在sl施加搜索“01”、“10”或“11”对应的电压时，晶体管都处于导通状态，ml输出为失配。晶体管存储“01”、“10”和“11”时的搜索情况类似。

12、本发明还提供了一种在锗/ⅲ-ⅴ族半导体衬底上实现电荷俘获晶体管tcam/mcam单元的制备方法，具体步骤如下：

13、s1：在锗或ⅲ-ⅴ族半导体衬底上形成重掺杂型的pn结结构；

14、s2：在s1得到的结构上形成有源区，并依次生长隧穿层、电荷俘获层和阻挡层，作为能够调控阈值电压的栅极介质结构；

15、s3：在s2得到的结构上生长电极结构，并形成ml、sl和scl。

16、进一步地，本发明所述的单晶体管tcam/mcam单元可以直接基于半导体锗实现，锗由于其远高于硅的迁移率和等效氧化层厚度的可微缩性，被认为是目前最具前景的晶体管衬底材料之一，目前先进节点中基于锗的finfet和gaafet已成功制备，并备受业界重视，在锗上实现优异的存储和搜索性能具有很大的应用前景。本发明所述的单晶体管tcam/mcam单元也可以在ⅲ-ⅴ族半导体衬底上实现。

17、本发明的有益效果是：第一，本发明充分利用锗/ⅲ-ⅴ族半导体pn结的隧穿效应，实现了晶体管的双极性转移特性曲线，使一个晶体管可以存储tcam的三态和mcam的多态，避免了传统的两个互补结构，大幅度提高了tcam/mcam的密度；第二，本发明所述pn结结构为锗/ⅲ-ⅴ族半导体材料，相比于已报道的基于单个硅基晶体管的tcam/mcam，锗(0.66ev)和ⅲ-ⅴ族半导体(砷化铟、锑化镓和锑化铟等)拥有比硅(1.12ev)更小的禁带宽度，能够提供比硅更大的隧穿电流密度，在先进节点需要提供足够的隧穿电流时更有优势；第三，本发明在tcam/mcam应用中，具有稳定的匹配、失配电流和充足的搜索窗口，保证了基于汉明距离的相似度计算的高度准确性。