铁电编程双栅二维半导体反相器及其制备方法

本发明涉及半导体可重构逻辑电路，尤其涉及一种铁电编程双栅二维半导体反相器及其制备方法。

背景技术：

1、反相器是数字逻辑链路中的基础单元，其电压传输曲线和开关阈值直接决定输入信号在何处发生翻转，并影响后级逻辑的噪声裕量、延迟和功耗。

2、在传统cmos反相器中，开关阈值主要由p型晶体管和n型晶体管的尺寸比例、阈值电压、迁移率和供电电压决定。电路制备完成后，若要调整翻转点，通常需要改变体偏置、供电条件或增加校准电路。

3、现有阈值可调方案往往需要持续偏置、额外晶体管网络、模拟比较器或存储辅助单元，导致面积和静态功耗增加；部分方案调节状态在断电后难以保持，或者难以分别调控上拉支路和下拉支路。

4、铁电栅器件可通过剩余极化非易失地调节沟道阈值，二维半导体又具有双极性输运和强栅控能力。如何在紧凑反相器中分别调节上拉晶体管和下拉晶体管的驱动能力，并使开关阈值在无持续偏置下保持可编程状态，是可调阈值反相器需要解决的技术问题。有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、为了克服上述缺陷，本发明提供了一种铁电编程双栅二维半导体反相器及其制备方法，该制备方法简单、合理，所得铁电编程双栅二维半导体反相器具有反相电压传输特性优异、可实现开关阈值多档调节、无需持续施加阈值调节偏置等优点，有利于逻辑电平匹配、噪声裕量优化和低功耗可重构逻辑电路的构建和发展。

2、本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种铁电编程双栅二维半导体反相器，包括两个二维半导体晶体管，两个所述二维半导体晶体管均自下往上依次设有背栅结构、电极层、半导体沟道层、铁电功能层和顶栅结构；

3、其中，两个所述二维半导体晶体管共用背栅结构，且所述背栅结构用作为反相器的输入端；两个所述二维半导体晶体管通过其上的电极层串联连接，且两者的串联节点用作为反相器的输出端；两个所述二维半导体晶体管中的半导体沟道层相互独立设置、且导电类型不相同；以及，两个所述二维半导体晶体管中的顶栅结构相互独立设置、并分别用于接收编程脉冲。

4、作为本发明的进一步改进，两个所述二维半导体晶体管中的半导体沟道层分别形成于同一二维半导体材料上并具有不同导电类型的沟道区域中。

5、作为本发明的进一步改进，所述二维半导体材料采用双极性二维半导体材料，且该双极性二维半导体材料选自wse2、mote2、rese2、mos2和黑磷中的任意一种。

6、作为本发明的进一步改进，两个所述二维半导体晶体管共用铁电功能层，即，所述铁电功能层对两个所述二维半导体晶体管中的半导体沟道层进行连续覆盖。

7、作为本发明的进一步改进，所述铁电功能层的材料采用p(vdf-trfe)、hfzro2、pb(zr,ti)o3、bifeo3和batio3中的任意一种。

8、作为本发明的进一步改进，在所述背栅结构上设置有介质层，两个所述二维半导体晶体管中的电极层均设置于所述介质层上；另外，两个所述二维半导体晶体管中的一个连接供电端、另一个连接接地端。

9、作为本发明的进一步改进，当两个所述二维半导体晶体管中的顶栅结构接收对称编程脉冲时，该反相器具有基准开关阈值；当两个所述二维半导体晶体管中的顶栅结构接收非对称编程脉冲时，该反相器的开关阈值相对于所述基准开关阈值发生正向或负向移动。

10、作为本发明的进一步改进，通过调节两个所述二维半导体晶体管中的顶栅结构所接收到的编程脉冲的基本特征参数，可使得该反相器形成有多个非易失开关阈值状态；且所述多个非易失开关阈值状态能够用于逻辑电平校准、输入翻转点补偿、噪声裕量优化或多工作模式反相电路中。

11、本发明还提供了一种铁电编程双栅二维半导体反相器的制备方法，包括以下制备步骤：

12、s1：提供具有背栅结构的衬底，并对所述衬底进行预处理；

13、s2：在所述衬底上沉积形成电极层，所述电极层包括用于连接供电端的供电电极、用于连接接地端的接地电极和用作为反相器的输出端的输出电极，同时，所述供电电极与所述输出电极之间形成第一沟道区域，所述接地电极与所述输出电极之间形成第二沟道区域；

14、s3：利用干法转移技术将双极性二维半导体膜片转移至所述电极层上，并使得所述双极性二维半导体膜片同时覆盖住所述第一沟道区域和所述第二沟道区域；

15、s4：在所述双极性二维半导体膜片上旋涂铁电溶胶，经烘烤后形成铁电功能层；所述铁电功能层至少将所述双极性二维半导体膜片上并位于所述第一沟道区域及所述第二沟道区域中的部分覆盖住；

16、s5：在所述铁电功能层上且正对位于所述第一沟道区域和所述第二沟道区域上方的位置处分别沉积形成顶栅结构，两个所述顶栅结构相互独立设置。

17、作为本发明的进一步改进，上述s2的具体制备方法为：先利用旋转涂布机在所述衬底一面上覆设光刻胶，并对光刻胶进行前烘处理；接着利用电子束曝光或光刻技术对光刻胶进行曝光、显影，以在光刻胶的预设位置处形成电极图形；随后再利用电子束蒸发工艺或热蒸镀工艺在所述电极图形的间隙中沉积金属层；在将光刻胶剥离后，即制得所述电极层；

18、上述s3的具体制备方法为：选用双极性二维半导体单晶为原料，在转移介质上制作出双极性二维半导体膜片；然后利用机械剥离法将所述双极性二维半导体膜片剥离后、转移至pdms载体上；随后再利用三维操纵台将所述双极性二维半导体膜片转移至所述电极层上，并同时使所述双极性二维半导体膜片覆盖住所述第一沟道区域和所述第二沟道区域；

19、在上述s4中，对所述双极性二维半导体膜片执行三次旋涂铁电溶胶作业，其中，在前两次每次旋涂作业后均进行温度为100～120℃的烘烤处理10～20min，在最后一次旋涂作业后进行温度为130～140℃的烘烤处理3～4h；另外，所述铁电功能层的厚度为200～300nm；

20、在上述s5中，对所述铁电功能层依次进行覆光刻胶、前烘、曝光、显影和热蒸镀加工后，制作出厚度为40～60nm的所述顶栅结构。

21、本发明的有益效果是：本发明所述铁电编程双栅二维半导体反相器不仅结构简单、合理，易加工制作，而且还具有反相电压传输特性优异、可实现开关阈值多档调节、无需持续施加阈值调节偏置等优点，有利于逻辑电平匹配、噪声裕量优化和低功耗可重构逻辑电路的构建和发展。

1.一种铁电编程双栅二维半导体反相器，其特征在于：包括两个二维半导体晶体管，两个所述二维半导体晶体管均自下往上依次设有背栅结构、电极层、半导体沟道层、铁电功能层和顶栅结构；

2.根据权利要求1所述的铁电编程双栅二维半导体反相器，其特征在于：两个所述二维半导体晶体管中的半导体沟道层分别形成于同一二维半导体材料上并具有不同导电类型的沟道区域中。

3.根据权利要求2所述的铁电编程双栅二维半导体反相器，其特征在于：所述二维半导体材料采用双极性二维半导体材料，且该双极性二维半导体材料选自wse2、mote2、rese2、mos2和黑磷中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的铁电编程双栅二维半导体反相器，其特征在于：两个所述二维半导体晶体管共用铁电功能层，即，所述铁电功能层对两个所述二维半导体晶体管中的半导体沟道层进行连续覆盖。

5.根据权利要求4所述的铁电编程双栅二维半导体反相器，其特征在于：所述铁电功能层的材料采用p(vdf-trfe)、hfzro2、pb(zr,ti)o3、bifeo3和batio3中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的铁电编程双栅二维半导体反相器，其特征在于：在所述背栅结构上设置有介质层，两个所述二维半导体晶体管中的电极层均设置于所述介质层上；

7.根据权利要求1所述的铁电编程双栅二维半导体反相器，其特征在于：当两个所述二维半导体晶体管中的顶栅结构接收对称编程脉冲时，该反相器具有基准开关阈值；

8.根据权利要求1所述的铁电编程双栅二维半导体反相器，其特征在于：通过调节两个所述二维半导体晶体管中的顶栅结构所接收到的编程脉冲的基本特征参数，可使得该反相器形成有多个非易失开关阈值状态；且所述多个非易失开关阈值状态能够用于逻辑电平校准、输入翻转点补偿、噪声裕量优化或多工作模式反相电路中。

9.一种如权利要求1-6中任一项所述的铁电编程双栅二维半导体反相器的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：

10.根据权利要求9所述的铁电编程双栅二维半导体反相器的制备方法，其特征在于：上述s2的具体制备方法为：先利用旋转涂布机在所述衬底一面上覆设光刻胶，并对光刻胶进行前烘处理；接着利用电子束曝光或光刻技术对光刻胶进行曝光、显影，以在光刻胶的预设位置处形成电极图形；随后再利用电子束蒸发工艺或热蒸镀工艺在所述电极图形的间隙中沉积金属层；在将光刻胶剥离后，即制得所述电极层；