一种基于固态离子导体的场效应器件的制作方法

本申请总体上涉及电子元器件或者微电子技术领域，更具体地，涉及一种基于固态离子导体的场效应器件。

背景技术：

场效应是一种利用电场调节材料界面的载流子浓度从而实现对电导率的调制，目前最常见的应用是半导体场效应晶体管，利用栅压可以调控半导体的电导率在多个量级的变化，实现电学上的开关状态。常用的栅极材料为氧化物如sio2、hfo2，其调控能力主要由栅极材料的介电常数k衡量。场效应器件原理上与电容器类似，绝缘层越薄，对载流子的调控能力就越强。然而绝缘层太薄(大约10nm)容易漏电，施加的调控电压也容易超过栅极击穿电压。总得来使用较高介电常数的材料，最佳厚度约为100nm，对载流子调控能力的上限大约为1e13cm^-2。这就使得适用范围限于较低载流子浓度的半导体材料，对于高浓度载流子的金属型材料调制能力很弱(大约0.1％)。

技术实现要素：

然而，本发明人在实验中发现，目前常用的氧化物栅极材料电极化形成的电场效应调制能力存在局限，针对本领域的该技术问题和其他问题，提出了本发明。

根据一实施例，提供一种基于固态离子导体的场效应器件，包括：目标材料、源/漏电极、固态离子导体、栅压电极；其中，所述目标材料形成于所述固态离子导体之上，所述源/漏电极位于所述目标材料的两侧，所述栅压电极位于所述固态离子导体表面。

在一些示例中，所述目标材料为半导体材料薄膜、金属性材料薄膜或者化合物金属薄膜。

在一些示例中，所述目标材料的薄膜厚度为1nm～100nm。

在一些示例中，所述目标材料通过原位生长和/或沉积的方式形成于所述固态离子导体之上；或者，所述目标材料通过转移的方法直接被放置在所述固态离子导体之上。

在一些示例中，所述固态离子导体的厚度为30nm～1mm。

在一些示例中，所述固态离子导体通过在在氧化物介电层中掺杂li来形成。

在一些示例中，所述栅压电极与所述目标材料在所述固态离子导体的相同表面或者相对表面。

在一些示例中，所述栅压电极的栅压范围在-6v～+6v。

在一些示例中，上述场效应器件还包括：离子缓冲层薄膜，所述离子缓冲层薄膜位于所述目标材料与所述固态离子导体之间。

在一些示例中，所述离子缓冲层薄膜是sio2、mgo或者bn。

本申请实施例，用固态离子导体材料替代现有的介电材料，利用电压调控固态离子导体中离子移动到在界面聚集，在界面处形成极大的电场调控其他材料的电学性质，相较于传统的利用氧化物介电层的场效应器件调控能力有较大的提升，场效应调控能力上限更高。

本申请的上述和其他特征和优点将从下面对示例性实施例的描述而变得显而易见。

附图说明

通过结合附图对本申请的示例性实施例进行更详细的描述，本申请的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

图1图示了根据本申请一示例性实施例的场效应器件的结构示意图。

图2图示了根据本申请另一示例性实施例的场效应器件的结构示意图。

图3图示了根据本申请又一示例性实施例的场效应器件的结构示意图。

图4和图5图示了根据本申请一示例性实施例的场效应器件的原理示意图。

具体实施方式

下面，将参考附图详细地描述本申请的示例性实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，应理解，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。

如前文所述，针对于目前常用的氧化物栅极材料电极化形成的电场效应调制能力的局限。目前栅极材料以及采用高介电常数(high-k)的hfo2/zro2,在材料性能上已经达到物理极限。栅极材料的厚度也达到物理上为避免漏电和击穿的极限。

要提高场效应的调制能力，需要在界面处形成很大的电场，这需要引入全新原理的材料体系。电化学中离子聚集层(电荷双层)可实现极强的电场，离子可在外电场的作用下移动到界面处聚集产生很大的电场，可以对高载流子浓度的材料实现电学调制。半径较小的离子甚至可以在电场的作用下嵌入材料内实现更强作用的电学调制。

本发明利用离子层实现对材料的电学调控，可以实现对高载流子浓度的材料进行调控，例如金属薄膜，这对于新型功能器件的开发有很大的作用。

离子导体主要有液态、凝胶态和全固态三种形式，其导电方式完全来自于其中离子的移动。固态离子导体材料的稳定性最好，易于集成，具有较好的器件性能。目前常用的固态离子材料有钙钛矿型、石榴石型、硫化物型和nasicon型，主要用于锂离子电池中的电极材料。

类似典型的固态离子材料如li3xla2/3-xtio3、li4sio4，其导电通道全部来自于li⁺在氧化物框架中的移动，可在目前常用的氧化物介电层(sio2/hfo2/zro2)中掺杂li、na等可以使其附加离子导体的能力提高对载流子的调控。

图1、图2和图3分别图示了根据本申请不同示例性实施例的场效应器件10的结构。如图1、图2和图3所示，本申请实施例的场效应器件可以包括：目标材料11、源/漏电极12、固态离子导体13和栅压电极14。

本申请实施例中，场效应器件的核心部分是包含目标材料11和固态离子导体13的异质结，该异质结即为器件的功能部分，异质结的界面洁净程度越好器件性能也越好。

图1、图2和图3的示例中，目标材料11可形成于固态离子导体13之上。图1的示例中，目标材料11可直接形成于固态离子导体13的表面且该表面与栅压电极14所在的表面相对。图2的示例中，目标材料11可直接形成于固态离子导体13的表面且该表面与栅压电极14所在的表面相同。目标材料11形成于固态离子导体13表面的离子缓冲层薄膜16之上，通过该离子缓冲层薄膜16可有效防止固态离子导体13中的离子嵌入到目标材料11中而影响场效应器件的性能。

图1、图2和图3的示例中，目标材料11可采用任何可适用于场效应器件的材料。一些示例中，目标材料11可以为半导体材料薄膜，如si、gaas、gan、inse、mos2等。一些示例中，目标材料11可以是金属型材料，可实现可观的电学调控，如金属薄膜au、pt、cu、al、pb。此外，目标材料11还可以是化合物金属薄膜，例如，nbse2、fese、tite2等。

图1、图2和图3的示例中，目标材料11的厚度可根据场效应器件本身的性能需求和规格需求来设定。一些示例中，目标材料11的薄膜厚度可以为1nm～100nm，例如，目标材料11的薄膜厚度可以是1nm、20nm、50nm、70nm、100nm等，相应场效应器件的沟道尺寸可以为10nm～100um。

图1、图2和图3的示例中，目标材料11可通过各种可适用的方式形成于固态离子导体13之上。一些示例中，目标材料11可以通过原位生长/沉积等方式形成于固态离子导体13之上。例如，目标材料11是si、gaas时，可通过真空薄膜沉积的方式将其形成于固态离子导体13的表面或者固态离子导体表面的离子缓冲层薄膜的表面。一些示例中，可以用转移的方法将目标材料11放置到固态离子导体13表面或者固态离子导体表面的离子缓冲层薄膜的表面。例如，目标材料11是inse、mos2等二维材料时，可以直接将其放置于固态离子导体13表面或者固态离子导体13表面的离子缓冲层薄膜16的表面。一些示例中，还可以将固态离子导体13沉积/转移到目标材料11上，同样可以实现异质结的构建。可以理解，本申请实施例中，目标材料11还可通过其他任意可适用的方式形成于固态离子导体13之上。

图1、图2和图3的示例中，固态离子导体13的厚度可根据场效应器件本身的性能需求和规格需求来设定。一些示例中，固态离子导体13的厚度可以为30nm～1mm。例如，固态离子导体13的厚度可以是30nm、50nm、100nm、110nm、300nm、500nm、700nm、100um、1mm等。

图1、图2和图3的示例中，固态离子导体13可通过各种可适用的方式来形成于目标材料11之下。一些示例中，可以通过在氧化物介电层中掺杂li来形成固态离子导体13。该示例中的一种实现方式中，可以用化学掺杂或者物理掺杂(如离子注入)，在氧化物的介电层中引入li，从而形成固态离子导体13。这样就自然把氧化物栅极转变成了固态离子导体栅极，可与目前常用的半导体生产工艺兼容。具体地，当施加栅压时，氧化物介电层中的li⁺在电场的作用下移动到异质结界面处，使得全部到栅压电势完全分布于界面处约1nm厚的范围里，达到实现对载流子浓度极强的调制。与之相比，目前最常用的氧化物介电层一般厚度在约100nm，从电容器的原理来说，氧化物介电层的电容只相当于离子层的约1％，也即对载流子浓度的调控能力的约1％。

图1、图2和图3所示的示例中，源/漏电极12位于目标材料11的两侧。一些示例中，源/漏电极12可以用蒸镀金属的方式来实现。一些示例中，源/漏电极12的电极材料可以是但不限于ti/au、cr/au。

本申请实施例中，栅压电极14位于固态离子导体13的表面。具体地，栅压电极14可以与目标材料11在固态离子导体13的相同表面或者相对表面。图1和图3的示例中，栅压电极14与目标材料11在固态离子导体13的相对表面。图2的示例中，，栅压电极14与目标材料11在固态离子导体13的相同表面。一些示例中，栅压电极14的栅压范围可以在-6v～+6v，在该栅压范围内即可实现高载流子浓度的调制。其他示例中，栅压还可以是不超过6v的其他范围，例如，栅压电极14的栅压范围可以在-4v～+4v、-2v～+2v等，避免栅压超过约6v而引起离子插层和电化学反应。

一些示例中，栅压电极14可以用蒸镀金属的方式来实现。一些示例中，栅压电极14的电极材料可以是但不限于ti/au、cr/au。

本申请实施例中，场效应器件还可包括衬底15，衬底15为可选，以方便与其他功能器件集成来实现复杂功能的器件。图2的示例中示出了衬底15的位置，衬底15可以位于固态离子导体13之下。

本申请实施例中，在施加栅压时，固态离子导体中的离子可能会嵌入到目标材料，对于少数材料体系造成损伤。为了解决离子嵌入的可能影响，可在目标材料11和固态离子导体13之间添加离子缓冲层薄膜16，换言之，场效应器件还可包括离子缓冲层薄膜16，位于目标材料11与固态离子导体13之间。图3示出了本申请实施例包含离子缓冲层薄膜16的场效应器件的示例性结构。图3的示例中，目标材料11和固态离子导体13之间添加了离子缓冲层薄膜16。一些示例中，该离子缓冲层薄膜16可以是但不限于sio2、mgo、bn等材料，这些材料可以较好地保护场效应器件。

图4和图5示出了本申请实施例场效应器件的工作原理。

如图4和图5所示，当施加栅压vg时，固态离子导体13中的离子在栅压电场的驱动下移动到界面处，在界面处有电荷聚集，电荷面密度可高达约1e15cm^-2，形成极强的电场，可极大改变目标材料11中的电荷分布，对目标材料11实现沟道中电荷的削弱或者增强。界面处形成的电荷双层(<1nm，电化学中的名称)几乎承担了所有的栅极电势，从而达到对目标材料载流子调控能力为面密度约1e15cm^-2。与氧化物的绝缘层用作栅极时其厚度一般不能低于约100nm，从电容器的原理看，电荷聚集在栅极材料两侧，其调制能力约为固态离子导体的约1％。

如图4和图5所示，当目标材料11为半导体材料，其自身的载流子浓度一般不超过约1e13cm^-2，可以实现高于传统氧化物栅极约100倍调控能力，也就是说目标材料厚度一般可以在1nm～1um。当目标材料11为金属型材料时，其自身的载流子浓度约在1e13cm^-2～1e15cm^-2，在可观范围内实现电学调控，目标材料11的厚度一般可以在1nm～100nm。

图4和图5中给出的是施加正的栅极电压的工作原理，可以实现对材料中电子面密度的增强。当施加负的栅压时，相应的可以实现对材料中电子面密度的降低。

本申请实施例提供的场效应器件，主要是用固态离子导体用作栅极，使用目标材料和固态离子导体构成异质结，原理上利用栅压调控离子聚集到异质结的界面上，在界面处形成极大的电场调控其他材料的电学性质，不仅可以对目前常用的半导体材料实现更强的调制，更可以实现对金属型材料的电学调制，相较于传统的利用氧化物介电层的场效应器件而言，调控能力上限得到了较大的提升。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。