一种横向离子耦合双电层晶体管结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体器件工艺技术领域，尤其涉及一种基于横向离子耦合机制的二维双电层晶体管器件结构及其制备方法。


背景技术：

2.随着摩尔定律的发展，晶体管的尺寸变得越来越小，芯片的集成度也越来越高。sio2因其制备工艺简单，常被用作传统场效应晶体管的栅极材料。为了配合晶体管尺寸的微缩，sio2的厚度也不断减小，但当其厚度降低至原子数量级时，将因漏电流骤增、隧穿效应产生等缺点而导致器件失效。另一种降低绝缘层厚度的有效途径是采用氧化铝(al2o3)、氧化铪(hfo2)等高栅介质常数(高k)的介电材料，但是高k材料的缺陷密度较大，沉积后需要进行高温钝化和退火。这极大地限制了该工艺在打印电子学、柔性电子学等领域的应用。为了解决这一难题，在20世纪初期，出现了电解质栅介质材料。当外界施加电压时，电解质栅介质层中的离子会发生迁移，最终在栅介质层和沟道之间形成致密的双电层，其间距约1nm，具有超高的载流子密度，最高可达数10
14
cm-2
，同时产生巨大的电容，最高几倍于1μf/cm2，被称为双电层电容。对应形成的fet即为双电层晶体管。
3.20世纪90年代初期，利用晶体管模拟神经元细胞和神经突触的工作被发表。该晶体管可以利用电容耦合在浮栅上叠加多个栅极的电荷，所以半导体沟道层可以接收多个栅极的输入电压。该过程类似于生物体的神经元可以整合多个树突的输入信号。然而，这项工作仅研究了晶体管在传统的电子器件领域的应用，比如：反相器、数模转换器等，尚未探索晶体管在神经突触仿生领域的应用潜力。随后神经形态计算系统被发现可以从人脑的大规模并行性，鲁棒性计算和高能效中寻求灵感，并有可能产生一种革命性的计算技术，该技术将从根本上克服常规数字计算技术中的冯
·
诺依曼结构瓶颈。因此，科研人员在构建神经形态系统方面的研究兴趣猛增，尤其是通过利用新兴器件，例如相变存储器、自旋电子器件、原子开关和忆阻器的可扩展性和功能。特别是，通过使用类似的可调权重，模拟具有生物突触的行为或离子动力学，将这些器件用作突触元件来构建神经形态计算系统的结构，这被广泛地探索和研究。
4.以前的研究通常会将这些新兴器件作为非易失性元件，可以存储权重和加速矢量矩阵乘法，而无需利用其生物突触的丰富功能和动态特性。鉴于生物突触具有更广泛和复杂的功能，这些功能被描述为突触可塑性，并且被认为对于神经信号的传递，存储以及记忆，学习和其他认知功能至关重要。模拟突触可塑性是在硬件上实现神经突触仿生的极大简化。因此，开发和制备具有生物功能的突触元件非常重要，其强大的功能和丰富的时空动态特性，对于构建人工智能的神经形态硬件必不可少。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种横向离子耦合双电层晶体管结构及其制备方法，利用离子凝胶作为栅介质的绝缘层，可在横向离子耦合的作用
下形成双电层电容器，其栅极控制能力强，工作电压小，能用于模拟生物体的突触可塑性。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
7.本发明提供了一种横向离子耦合双电层晶体管结构，包括：
8.半导体衬底；
9.覆盖所述衬底的介质层；
10.设于所述介质层表面上的二维半导体材料沟道层；
11.设于所述沟道层两端上的源极和漏极；
12.设于所述介质层表面上，并位于所述沟道层侧面以外的栅极；
13.设于所述介质层表面上，且两端分别覆盖所述沟道层和所述栅极的凝胶电解质栅介质层；
14.其中，通过所述凝胶电解质中离子的横向迁移产生的离子耦合效应，在所述栅介质层和所述沟道层之间形成双电层电容。
15.进一步地，所述源极和所述漏极位于所述沟道层两端的表面上，所述源极和所述漏极的表面上设有高k材料层。
16.进一步地，所述凝胶电解质的组分包括混合态的高氯酸锂和聚环氧乙烷。
17.进一步地，所述二维半导体材料包括mos2。
18.进一步地，所述高k材料包括al2o3。
19.本发明还提供了一种横向离子耦合双电层晶体管结构的制备方法，包括：
20.提供一半导体衬底；
21.形成覆盖于所述衬底上的介质层；
22.在所述介质层表面上形成作为沟道层的二维半导体材料层；
23.在所述二维半导体材料层两端的表面上形成源极和漏极，以及在所述二维半导体材料层侧面以外的所述介质层表面上形成栅极；
24.在所述介质层表面上形成两端分别覆盖所述沟道层和所述栅极的凝胶电解质栅介质层；
25.其中，通过形成的所述凝胶电解质中离子的横向迁移产生的离子耦合效应，在所述栅介质层和所述沟道层之间形成双电层电容。
26.进一步地，还包括：在所述源极和所述漏极的表面上形成高k材料层。
27.进一步地，所述在所述介质层表面上形成两端分别覆盖所述沟道层和所述栅极的凝胶电解质栅介质层，包括：
28.称取适量聚合物粉末与电解质盐晶体，并放入容器内；
29.向所述容器中加入水性溶剂，并将所述容器密封；
30.执行磁力搅拌，使所述容器内的所述聚合物和所述电解质盐充分混合并溶解，形成液态的电解质凝胶；
31.打开所述容器，将配制成的液态电解质凝胶旋涂于沟道区域上方，使得所述沟道层和所述栅极表面被同时覆盖；
32.执行烘烤，使液态电解质凝胶中的溶剂充分挥发，形成固态的凝胶电解质栅介质层。
33.进一步地，所述聚合物包括聚环氧乙烷；所述电解质盐包括高氯酸锂。
34.进一步地，所述溶剂包括去离子水。
35.由上述技术方案可以看出，本发明通过利用聚合物与电解质盐形成的离子凝胶作为栅介质的绝缘层，并以二维半导体材料薄膜作为沟道材料，可在横向电解质离子耦合的作用下形成双电层电容器，使制备的双电层晶体管具有栅极控制能力强，低工作电压，高开关比，低亚阈值摆幅和性能稳定的优点。良好的电学性能表明其具有“突触可塑性”的短期和长期突触行为，能用于模拟生物体的突触可塑性，在模拟神经突触行为的元件中具有一定的优越性，是作为构建人工智能的神经形态计算系统的突触元件优选。
36.并且，本发明通过利用水性溶剂代替传统的有机溶剂，能够在保证溶质充分溶解的同时，使形成的离子凝胶无毒、绿色环保且易于制备。
附图说明
37.图1为本发明一较佳实施例的一种横向离子耦合双电层晶体管结构示意图；
38.图2为本发明一较佳实施例的一种横向离子耦合双电层晶体管结构的制备方法流程图；
39.图3-图7为本发明一较佳实施例的一种根据图2的方法制备一种横向离子耦合双电层晶体管结构时的工艺步骤示意图。
具体实施方式
40.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
41.下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
42.请参阅图1，图1为本发明一较佳实施例的一种横向离子耦合双电层晶体管结构示意图。如图1所示(为表示清楚，对部分结构进行了透视处理)，本发明的一种横向离子耦合双电层晶体管结构，包括：半导体衬底10；覆盖在衬底10表面上的介质层11；设于介质层11表面上的二维半导体材料沟道层15；设于沟道层15两端上的源极13和漏极16；设于介质层11表面上，并位于沟道层15侧面以外的栅极17；设于介质层11表面上，且两端分别覆盖在沟道层15和栅极17表面上的凝胶电解质栅介质层12(透视结构)等几个主要结构组成部分。
43.其中，当外部电压施加在栅极17上时，凝胶电解质中的离子将发生横向迁移，即产生沿栅介质层12的凝胶电解质水平方向上的离子耦合效应，从而在栅介质层12和沟道层15之间形成双电层电容形态，其栅极控制能力强，工作电压小。这样形成的晶体管结构，具有“突触可塑性”的短期和长期突触行为，因此在构建用于计算和传感应用的高级混合和高密度神经形态系统中显示出了巨大的潜力。
44.请参阅图1。在一较佳实施例中，源极13和漏极16可分别位于由二维半导体材料薄膜形成的沟道层15两端的表面上。并且，在源极13和漏极16的表面上还可分别设有高k材料
层14薄膜，以减少源极13和漏极16之间产生的漏电流。
45.在一较佳实施例中，衬底10可采用常规的半导体衬底10，例如硅衬底10等。介质层11可采用常规的介质材料，例如sio2等。
46.在一较佳实施例中，二维半导体材料层材料可包括过渡金属二硫化物(tmds)，例如mos2等。但不限于此。
47.在一较佳实施例中，高k材料可包括al2o3等。但不限于此。
48.在一较佳实施例中，凝胶电解质的组分可包括混合态的高氯酸锂(liclo4)和聚环氧乙烷(peo)，并形成离子凝胶。
49.双电层晶体管中栅介质材料的选择是其优越性能的关键所在。本发明的横向离子耦合双电层晶体管结构，以peo/liclo4离子凝胶为电解质栅介质材料，以tmds薄膜为半导体沟道材料，形成了低工作电压、高开关比、低亚阈值摆幅和性能稳定的双电层晶体管。良好的电学性能表明其在模拟神经突触行为的元件中具有一定的优越性。
50.本发明形成的横向离子耦合双电层晶体管器件，可以应用于对短时程可塑性和长时程可塑性的一些神经突触行为进行模拟，包括兴奋性突触后电流(epsc)、双脉冲易化(ppf)、长时程增强(ltp)、长时程抑制(ltd)和高通滤波。这些从简单到复杂的神经突触行为的仿生，表明在搭建用于计算和传感应用的高级混合和高集成度神经形态系统中，本发明基于二维半导体材料的peo/liclo4双电层晶体管具有广阔的潜力。
51.下面结合附图，对本发明的一种横向离子耦合双电层晶体管结构的制备方法进行详细说明。
52.请参阅图2。本发明的一种横向离子耦合双电层晶体管结构的制备方法，可用于制备例如图1的一种横向离子耦合双电层晶体管结构，并可包括以下步骤：
53.步骤s1：提供一半导体衬底10。
54.请参阅图3。在一较佳实施例中，衬底10可采用常规的半导体衬底10，例如硅衬底10。
55.步骤s2：形成覆盖于衬底10上的介质层11。
56.请参阅图3。在一较佳实施例中，介质层11可采用常规的介质材料，例如sio2等。
57.在一实例中，可采用常规沉积工艺，在硅衬底10的上表面上形成例如300nm厚的sio2介质层11。但不限于此。
58.该硅衬底10与sio2介质层11的叠层结构，在后续的以离子凝胶作为绝缘层进行器件工作的过程中将非常稳定。
59.步骤s3：在介质层11表面上形成作为沟道层15的二维半导体材料层。
60.请参阅图4。在一较佳实施例中，可采用机械剥离法，将少层具有一定面积的二维半导体层薄膜例如tmds薄膜机械剥离转移至sio2介质层11表面上。
61.以二维沟道材料采用mos2为例，可将例如10层以下的mos2薄膜机械剥离到硅衬底10的sio2介质层11表面上，形成由mos2二维半导体材料薄膜形成的沟道层15。
62.步骤s4：在二维半导体材料层两端的表面上形成源极13和漏极16，以及在二维半导体材料层侧面以外的介质层11表面上形成栅极17。
63.在一较佳实施例中，可在整个sio2介质层11表面上旋涂一层正性光刻胶，例如聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)光刻胶，将沟道层15完全覆盖。
64.然后，可使用电子束光刻法，在介质层11表面上确定器件的源极、漏极和栅极区域，并通过曝光在光刻胶上形成沉积窗口，露出窗口下方位于二维半导体材料层的沟道层15表面上的源极和漏极区域，以及露出窗口下方位于沟道层15侧面以外的介质层11表面上的栅极区域。
65.接着，可在光刻胶的表面上整体沉积电极金属，使电极金属通过沉积窗口填充并覆盖在源极、漏极和栅极区域上。
66.之后，即可采用lift-off工艺，在源极、漏极和栅极区域上分别形成金属电极，即形成金属源极13、漏极16和栅极17，如图5所示。
67.在一实例中，可采用pvd工艺，在光刻胶的表面上整体沉积10nm厚的cr，和70nm厚的au(不限于此)，作为电极金属，并进行lift-off工艺，将光刻胶及其上的金属cr和au一起从衬底10上剥离，此工艺可保留沉积窗口中的电极金属图形，从而在二维半导体材料层两端的表面上形成源极13和漏极16，以及在二维半导体材料层侧面以外的介质层11表面上形成栅极17。
68.请参阅图6。在一较佳实施例中，为了减少源极13和漏极16之间产生的漏电流，还可在源极13和漏极16的表面上沉积形成高k材料层14薄膜。
69.例如，可采用上述步骤s4中的同样方法，通过电子束光刻确定高k材料层14在源极13和漏极16上的沉积位置和图形，并通过沉积高k材料层14材料以及lift-off工艺，在源极13和漏极16的表面上形成高k材料层14薄膜。
70.在一实例中，可采用ald工艺，在定义的源极和漏极区域上沉积形成10nm厚的al2o3材料，并进行lift-off工艺，在源极13和漏极16的表面上形成al2o3的高k材料层14薄膜。
71.步骤s5：在介质层11表面上形成两端分别覆盖沟道层15和栅极17的凝胶电解质栅介质层12。
72.请参阅图7。在介质层11表面上形成两端分别覆盖沟道层15和栅极17的凝胶电解质栅介质层12，具体可包括以下步骤：
73.步骤s51：称取适量聚合物粉末与电解质盐晶体，并放入容器内。
74.在一较佳实施例中，可采用精密天平分别称取经计量的聚环氧乙烷聚合物粉末和高氯酸锂电解质盐晶体，然后将其放入遮光容器内。
75.例如，可称取1.852g聚环氧乙烷粉末与0.532g高氯酸锂晶体，依次放入20ml棕瓶内。
76.步骤s52：向容器中加入水性溶剂，并将容器密封。
77.在一较佳实施例中，可采用滴管，向棕瓶内滴入经计量的去离子水(水性溶剂)。然后，立即用封口胶将装有聚环氧乙烷粉末、高氯酸锂晶体和去离子水的棕瓶密封。
78.例如，可采用一次性滴管，向棕瓶内滴入10ml的去离子水，并立即用封口胶将装有1.852g聚环氧乙烷粉末、0.532g高氯酸锂晶体和10ml去离子水的棕瓶密封。
79.步骤s53：执行磁力搅拌，使容器内的聚合物和电解质盐充分混合并溶解，形成液态的电解质凝胶。
80.在一较佳实施例中，可采用将装有聚环氧乙烷粉末、高氯酸锂晶体和去离子水的棕瓶在磁力搅拌器上搅拌的方式，使聚环氧乙烷粉末、高氯酸锂晶体在去离子水中得到充分溶解，形成凝胶态的电解质溶液，即形成液态的电解质凝胶。
81.例如，可将装有1.852g聚环氧乙烷粉末、0.532g高氯酸锂晶体和10ml去离子水的棕瓶，在磁力搅拌器上搅拌16h，使聚环氧乙烷粉末、高氯酸锂晶体在去离子水中得到充分溶解。最后形成物质的量浓度为0.1mol/l的高氯酸锂的凝胶溶液(离子凝胶)。
82.本发明采用去离子水代替传统的有机溶剂作为peo/liclo4离子凝胶的溶剂，在保证能够充分溶解peo和liclo4的同时，还可以保证绿色环保，环境友好。
83.步骤s54：打开容器，将配制成的液态电解质凝胶旋涂于沟道区域上方，使得沟道层15和栅极17表面被同时覆盖。
84.在一较佳实施例中，可利用移液枪，将之前配置好的peo/liclo4离子凝胶旋涂到沟道区域上方。利用离心作用，可使离子凝胶覆盖在沟道层15的表面上，并扩散覆盖在栅极17表面上。
85.步骤s55：执行烘烤，使液态电解质凝胶中的溶剂充分挥发，形成固态的凝胶电解质栅介质层12。
86.在一较佳实施例中，可将形成有上述器件的硅衬底10在例如100℃的热台上烘烤例如3min，使作为溶剂的去离子水从离子凝胶中充分挥发，形成固态的凝胶电解质的栅介质层12，如图7所示。图7中的器件各结构与图1对应。
87.上述形成的liclo4固态凝胶电解质的栅介质层12，通过两端横向分别覆盖在金属栅极17和由mos2二维半导体材料薄膜形成的沟道层15上。当对栅极17施加外部电压时，凝胶电解质中的li离子将发生横向迁移，即产生横向离子耦合效应，从而在凝胶电解质栅介质层12和二维半导体材料沟道层15之间形成双电层电容，可具有超高的载流子密度，同时可产生巨大的电容。
88.综上，本发明利用聚环氧乙烷和高氯酸锂的混合凝胶作为栅介质的绝缘层，在横向锂离子耦合的作用下形成了双电层电容器，其栅极控制能力强，工作电压小。同时，peo/liclo4离子凝胶无毒、绿色环保并且易于制备。
89.本发明提出的基于peo/liclo4离子凝胶的二维mos2的横向离子耦合双电层晶体管器件，具有“突触可塑性”的短期和长期突触行为，可以模拟生物体的突触可塑性，在构建用于计算和传感应用的高级混合和高密度神经形态系统中显示出了巨大的潜力。
90.虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。