一种基于二维过渡金属磷硫化合物铁电栅晶体管存储器及其制备方法

本发明涉及存储器的，特别是一种基于二维过渡金属磷硫化合物铁电栅晶体管存储器及其制备方法。

背景技术：

1、人工智能和物联网的快速发展，大大增加了对信息处理和存储的需求。为了应对这种高速增长的需求，开发具有更高性能和低功耗的信息处理和存储的电子器件尤为重要。

2、基于传统铁电材料的铁电晶体管型存储器总是面临临界尺寸效应的困扰，即当铁电材料的厚度减小到一定值时(通常在几十纳米尺度)，其铁电效应大幅减弱。因此，限制了铁电晶体管存储器的尺寸微缩。同时，传统的薄膜工艺与cmos工艺难以兼容，也限制了铁电场效应晶体管型存储器的应用。二维过渡金属磷硫化合物滑移铁电效应在少层中依然存在，这为铁电晶体管的尺寸微缩提供了可能。同时基于过渡金属磷硫化合物铁电栅晶体管的铁电存储器具有较低的功耗以及良好的cmos工艺兼容性，也有利于其大规模集成。

3、因此，研究基于二维材料铁电效应的存储器克服了上述问题并成为该领域的研究热点。铁电材料具有能够被外加电场翻转的自发电极化，可以被用于实现电子系统中信息的读取和写入。另外，二维材料因具有原子层厚度和优异的光学和电学特性，且存在洁净的界面等优点，为制备尺寸更小，性能更高的电子器件提供了平台。

4、cn202310219281.9公开了一种铁电场效应晶体管及其制备方法和铁电存储器。铁电场效应晶体管的制备方法包括以下步骤：在基底上形成氧化物半导体层，氧化物半导体层包括沟道区和位于沟道区两侧的源区和漏区；在沟道区上形成铁电材料层，在铁电材料层上形成顶栅极；形成金属反应层以覆盖源区、漏区和顶栅极；在氧化性气氛中，于300℃～600℃下退火，诱导铁电材料层形成铁电相，得铁电介质层，并使源区和漏区的氧元素被金属反应层夺取，得导体化源区和导体化漏区；并使金属反应层自发氧化，得钝化层；在钝化层中形成源极和漏极。该法通过一次退火实现诱导铁电材料层形成铁电相、促使源/漏区导体化和淀积钝化层的功能，制得高性能和高耐久性的器件。

5、cn202210789434.9公开了一种金属硫族磷酸盐介电层晶体管器件及其制备方法，包括衬底；布设在所述衬底上的绝缘封装层、导电沟道、介电层和栅极；以及布设在所述导电沟道两侧的源漏电极；所述介电层是采用机械剥离法或化学气相沉积法(cvd)制备的多层或少层金属硫族磷酸盐。采用机械剥离得到的少层金属硫族磷酸盐材料作为场效应晶体管器件的介电层，利用pdms干法转移搭建二维材料堆叠组成的异质结构，能够有效降低漏电流，提高栅控效果。解决了现有的传统硅基场效应晶体管尺寸降低至纳米点后存在的开态电流降低和短沟道效应问题以及二维介电层h-bn的介电常数小的问题。

6、上述方案都没有利用二维过渡金属磷硫化合物的滑移铁电效应，无法实现存储器具有低功耗、高性能的铁电栅晶体管存储器制备。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于二维过渡金属磷硫化合物铁电栅晶体管存储器及其制备方法。

2、为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

3、本发明的目的之一是要提供一种基于二维过渡金属磷硫化合物铁电栅晶体管存储器，所述晶体管存储器为顶栅结构，由下至上依次由衬底、源漏电极、二维半导体沟道材料层、铁电栅介质层和栅电极组成；源漏电极的源极电极和漏极电极之间设有沟道，二维半导体沟道材料层的下部填充在沟道内，二维半导体沟道材料层的下端面与衬底上端面连接；铁电栅介质层的下端面分别与二维半导体沟道材料层、源漏电极的源极电极和漏极电极的上端面连接；

4、所述铁电栅介质层为具有层间滑移铁电效应的二维过渡金属磷硫属化合物，其结构通式为mpsx，其中m为过渡金属元素，x为s的计量数；所述铁电栅介质层的厚度为0.75-400nm；

5、所述二维半导体沟道材料层为二维过渡金属硫族化合物，二维半导体沟道材料层的厚度为0.75-300nm。

6、进一步地，所述衬底为二氧化硅衬底或硅衬底。

7、进一步地，所述源漏电极和栅电极均为石墨烯制成，源漏电极和栅电极的厚度均为0.3-100nm。

8、优选地，所述二维过渡金属磷硫属化合物为二维mnps3、crps4、feps3中的一种。

9、优选地，所述二维过渡金属硫族化合物为wse2、mos2、ws2、mose2中的一种。

10、本发明的目的之二是要提供一种基于二维过渡金属磷硫化合物铁电栅晶体管存储器的制备方法，包括以下步骤：

11、s1、制备二维过渡金属磷硫属化合物样品：将二维过渡金属硫族化合物通过机械剥离、高分子辅助剥离或者溶液中剥离的方法剥离至二氧化硅/硅基底上，得到二维过渡金属磷硫属化合物样品；

12、s2、制备二维过渡金属硫族化合物样品：将过渡金属硫族化合物通过机械剥离、高分子辅助剥离或者溶液中剥离等方法剥离至二氧化硅/硅基底上，得到二维过渡金属硫族化合物样品；或者通过化学气相沉积的方法在二氧化硅/硅基底上生长少层过渡金属硫族化合物，得到二维过渡金属硫族化合物样品；

13、s3、制备源漏电极样品和栅电极样品：将石墨烯剥离至二氧化硅/硅基底上，得到栅电极样品；

14、s4、制备铁电栅晶体管：在二维材料转移系统上，使用高分子辅助转移的方法，依次从二氧化硅/硅的基底上拾取栅电极样品、二维过渡金属磷硫属化合物样品、源漏电极样品、二维过渡金属硫族化合物样品，形成高分子层与栅电极/二维过渡金属磷硫属化合物/源漏电极/二维过渡金属硫族化合物异质结结构；然后将这个异质结结构释放到衬底表面，使高分子层与栅电极/二维过渡金属磷硫属化合物/源漏电极/二维过渡金属硫族化合物异质结分离，并在三氯甲烷溶液中浸泡以去除异质结表面的高分子残胶；

15、s5、采用标准的光刻或者电子束光刻工艺定义栅电极和源漏电极，并通过电子束蒸镀或者热蒸镀在异质结表面沉积金属，形成具有电极接触的铁电栅晶体管存储器。

16、优选地，所述高分子辅助转移的方法为高分子辅助的范德华转移法，使用的高分子材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯pet、聚双酚a碳酸酯pc、聚碳酸亚丙酯ppc中的一种。

17、与现有技术相比，本发明制备的基于二维过渡金属磷硫化合物铁电栅晶体管存储器，栅电极和源漏接触电极都采用石墨烯电极，铁电栅采用具有滑移铁电效应的二维过渡金属磷硫化合物，沟道材料采用二维半导体材料，有利于缩小晶体管的纵向尺寸；本发明的铁电栅晶体管存储器由具有原子级厚度的二维材料堆叠而成，有助于大规模集成；由于采用二维材料制备铁电晶体管，二维过渡金属磷硫化合物具有较低的矫顽电场，可以在较低的外加电场下实现导电栅中电极化的翻转，从而改变源漏间的导电状态，进而实现信息的读取、写入和擦除，实现具有较低功耗的存储器；这种利用过渡金属磷硫化合物滑移铁电效应构筑的铁电栅晶体管为实现低功耗存储器及高集成度的存储芯片提供了新的材料平台。

技术特征：

1.一种基于二维过渡金属磷硫化合物铁电栅晶体管存储器，其特征在于，所述晶体管存储器由下至上依次由衬底、源漏电极、二维半导体沟道材料层、铁电栅介质层和栅电极组成；源漏电极的源极电极和漏极电极之间设有沟道，二维半导体沟道材料层的下部填充在沟道内，二维半导体沟道材料层的下端面与衬底上端面连接；铁电栅介质层的下端面分别与二维半导体沟道材料层、源漏电极的源极电极和漏极电极的上端面连接；

2.根据权利要求1所述的基于二维过渡金属磷硫化合物铁电栅晶体管存储器，其特征在于：所述衬底为二氧化硅衬底或硅衬底。

3.根据权利要求1所述的基于二维过渡金属磷硫化合物铁电栅晶体管存储器，其特征在于：所述源漏电极和栅电极均为石墨烯制成，源漏电极和栅电极的厚度均为0.3-100nm。

4.根据权利要求1所述的基于二维过渡金属磷硫化合物铁电栅晶体管存储器，其特征在于：所述二维过渡金属磷硫属化合物为二维mnps3、crps4、feps3中的一种。

5.根据权利要求1所述的基于二维过渡金属磷硫化合物铁电栅晶体管存储器，其特征在于：所述二维过渡金属硫族化合物为wse2、mos2、ws2、mose2中的一种。

6.一种如权利要求1-5任一所述的基于二维过渡金属磷硫化合物铁电栅晶体管存储器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的基于二维过渡金属磷硫化合物铁电栅晶体管存储器的制备方法，其特征在于：所述高分子辅助转移的方法为高分子辅助的范德华转移法，使用的高分子材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯pet、聚双酚a碳酸酯pc、聚碳酸亚丙酯ppc中的一种。

技术总结本发明属于存储器的技术领域，具体公开了一种基于二维过渡金属磷硫化合物铁电栅晶体管存储器及其制备方法，由下至上依次由衬底、源漏电极、二维半导体沟道材料层、铁电栅介质层和栅电极组成；铁电栅介质层为具有层间滑移铁电效应的二维过渡金属磷硫属化合物；二维半导体沟道材料层为二维过渡金属硫族化合物。与现有技术相比，铁电栅采用具有滑移铁电效应的二维过渡金属磷硫化合物，沟道材料采用二维半导体材料，有利于缩小晶体管的纵向尺寸，降低翻转极化状态所需电压；这种利用过渡金属磷硫化合物滑移铁电效应构筑的铁电栅晶体管为实现低功耗存储器及高集成度的存储芯片提供了新的材料平台。技术研发人员：赵仕龙,许佳纯,陈文骏,滕长久受保护的技术使用者：佛山大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10