本发明属于铁电二维场效应晶体管器件技术领域，具体涉及一种铁电二维场效应晶体管及其制备方法。
背景技术：
自1947年美国贝尔实验室成功研制出锗基晶体管以来，晶体管因其体积小，功耗低的优点，成功的代替了电子管，推动了微电子领域的进步。晶体管作为一种半导体器件，对外界影响（光、电、热等）具有极高的响应速度和准确性，在探测器领域有着广泛的应用。此外，凭借铁电材料在外电场作用下的极化，能够在二维材料沟道中产生非易失性静电掺杂，铁电晶体管可能被应用于非易失性存储器领域。
随着现代电子电路工艺的进步，半导体器件逐渐计入微纳米尺度，器件的功耗大和密度较低严重制约了器件的性能。新型的铁电二位场效应晶体管可以克服这些缺点。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种铁电二维场效应晶体管及其制备方法,利用铁电材料在外加电场作用下能够产生自发极化，并在撤掉外加电场后保持很强的非易失性极化，将铁电材料与二维半导体材料复合，利用铁电材料的非易失性静电掺杂降低器件的尺寸和功耗。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种铁电二维场效应晶体管，包括由下至上依次为底部金电极层、铁电衬底层、沟道层、钛层、顶部金电极层和包覆层，所述底部金电极层用作底栅，所述钛层附着于顶部金电极和沟道层之间，所述顶部金电极层用作源极、漏极和顶栅，所述包覆层用于防止器件氧化，所述铁电衬底层用于施加门电压改变改变沟道层电子掺杂浓度。
进一步地，所述沟道层采用二维半导体材料。
进一步地，所述沟道层采用crsite3。
进一步地，所述铁电衬底层采用铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷材料。
进一步地，所述包覆层采用六方氮化硼。
进一步地，所述底部金电极层厚度为50nm，钛层厚度为2nm，顶部金电极层厚度40为nm。
进一步地，所述顶部钛和金电极层厚度分别为2nm和50nm
进一步地，所述沟道层的厚度为10-40nm，长度为1-35μm。
进一步地，所述包覆层的厚度为10-100nm。
一种铁电二维场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
采用铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷材料作为铁电衬底层，对所述铁电衬底层表面进行除杂，在所述铁电衬底层的底面通过电子束蒸发生长形成底部金电极层用作底栅，在所述铁电衬底层的顶面作标记；
获取二维半导体材料，将二维半导体材料通过聚二甲基硅氧烷设置在在所述铁电衬底层的顶面标记处，形成沟道层；
将所述铁电衬底层甩两层胶，在所述沟道层上绘制顶部电极图案，并依次进行曝光、显影、异丙醇定影、电子束蒸发生长2nmti和热蒸发生长40nmau，最后剥离形成顶部金电极层用作源极、漏极和顶栅；
获取六方氮化硼材料，将六方氮化硼材料通过聚二甲基硅氧烷设置在所述沟道层上并覆盖所述顶部金电极层，形成包覆层用于防止器件氧化。
进一步地，所述显影过程为使用甲基异丁酮:异丙醇=1:3的显影液进行显影40s。
本发明具备的有益效果：
本发明利用铁电衬底层和沟道层的界面效应，通过加门电压的方式，使得铁电衬底层产生极化，通过不同极化方向来调控电子对沟道掺杂浓度，从而改变沟道层的电阻大小。可使铁电场效应晶体管实现‘导通’和‘断开’的两种状态。由于铁电衬底极化具有非易失性，这种导通和截至的状态存在记忆性。
附图说明
图1是本发明优选实施例提供的铁电场效应晶体管的结构示意图；
图2是本发明优选实施例提供的铁电场效应晶体管的光镜示意图；
图3是在固定源漏极电压为-3v，沟道层的电流值随所加门电压的关系示意图。
图4是在固定源漏极电压下，沟道层电阻值随所加门电压不同的高低阻态转变示意图。
附图标记
1底部金电极层、2铁电衬底层、3沟道层、4钛层、5顶部金电极层、6包覆层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，为本发明提供的一种铁电二维场效应晶体管，包括由下至上依次为底部金电极层1、铁电衬底层2、沟道层3、钛层4、顶部金电极层5和包覆层6，所述底部金电极层1用作底栅，所述钛层4附着于顶部金电极5和沟道层3之间，用于增强顶部金电极5的附着力，避免所述顶部金电极层5脱落，所述顶部金电极层5用作源极、漏极和顶栅，所述包覆层6用于防止器件氧化，所述铁电衬底层2用于施加门电压改变沟道层电子掺杂浓度。所述沟道层3采用二维半导体材料。所述沟道层3采用crsite3。所述铁电衬底层2采用铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷材料。所述包覆层6采用六方氮化硼。所述底部金电极层1厚度为50nm,钛层4厚度为2nm，顶部金电极层5厚度为40nm。。所述沟道层3的厚度为10-40nm，长度为1-35μm。所述包覆层6的厚度为10-100nm。
本专利提供了一种铁电晶体管制备方法，具体步骤如下：
s1、采用铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷材料pmn-pt(011)制备铁电衬底层2，先使用丙酮将铁电衬底层2在超声仪中超声两分钟，超声功率为99w，再重复同样动作在酒精中超声，目的是洗去铁电衬底层2表面存在的有机无机杂质，再使用电子束蒸镀在铁电衬底层2底部生长金电极层1用作底栅，在铁电衬底层2顶面使用电子束光刻曝光显影以及电子束蒸镀做十字形标记。
s2采用机械剥离的方式得到二维铁磁半导体材料，并通过聚二甲基硅氧烷(pdms)定点转移至铁电衬底层2顶面的十字形标记处中间，以此制得沟道层3。具体操作如下：首先切取二维铁磁半导体材料，使用两条胶带反复对叠，使二维铁磁半导体材料在胶带上撕裂铺展开，随后，将胶带带有二维铁磁半导体材料的部分按压到聚二甲基硅氧烷(pdms)表面，随后将胶带与聚二甲基硅氧烷(pdms)迅速分离，使一部分二维铁磁半导体材料分离转移到聚二甲基硅氧烷(pdms)上，然后在光学显微镜下观察聚二甲基硅氧烷(pdms)表面的材料，找到厚度、尺寸合适、结构完整的材料，利用定点转移台转移到铁电衬底层2顶面的十字形标记处中间；
s3先将el6mma胶使用一次性滴管滴在带有沟道层3的铁电衬底层2上，设定4000r/min在匀胶机上转动45s，结束后在120℃加热台上加热两分钟，再滴上pmmaa5电子束光刻胶，此次匀胶设定两段速率，先设定4500r/min转动30s，再设定7000r/min转动5s，结束后再次放在120℃加热台加热两分钟。
s4使用drawbeam软件绘制顶部电极设计图案，顶部电极大小根据沟道层3大小调整设计。
s5将甩有两层胶的铁电衬底层2放入电子束光刻仪器曝光顶部电极。曝光完成后使用mibk（甲基异丁酮）:ipa（异丙醇）=1:3的显影液中显影40s,异丙醇定影20s。
s6将显影成功的铁电衬底层2放入电子束蒸镀仪器中，使用电子束蒸发生长2nm钛层4，热蒸发生长40nm金，顶部金电极层5用作源极、漏极和顶栅。
s7将铁电衬底层2放置丙酮溶液中静置5min后取出。
s8采用机械剥离的方式得到六方氮化硼，通过二甲基硅氧烷(pdms)定点转移至沟道层3上方，具体操作如下：首先切取块状六方氮化硼材料，使用两条胶带反复对叠，使六方氮化硼在胶带上撕裂铺展开，随后，将胶带带有六方氮化硼的部分按压到聚二甲基硅氧烷(pdms)表面，随后将胶带与聚二甲基硅氧烷(pdms)迅速分离，使一部分六方氮化硼分离转移到二甲基硅氧烷(pdms)上，然后在光学显微镜下观察二甲基硅氧烷(pdms)表面的材料，找到厚度、尺寸合适、结构完整的材料，利用定点转移台转移到所述沟道层3上并覆盖所述钛层4顶部金电极层5，形成包覆层6用于防止器件氧化。以此制得完整铁电场效应管器件。
对本专利提供的铁电场效应晶体管进行器件测试：
如图1所示，将栅极探针与底部金电极层1相连，源、漏极探针与顶部金电极层5分别相连，通过2450表在源、漏极间施加-3v偏压，在底栅上施加 300v到-300v再到 300v的门电压，扫描步长约为2v，测试源、漏极间电流在不同栅极电压下的变化趋势，如图3所示。场效应器件在正栅压（ 300v）的作用下处于开启状态，也就是低电阻状态，随着正向栅压的减少，电流基本保持不变，直到减少到-（75）v时，沟道的电流突然减少，此时处于断开状态，也就是转化为高电阻状态，如图4所示。之后，栅压继续减少到-300v和从-300v增加到 （60）v时，器件的高电阻状态保持不变。而之后继续增加电压时，器件从高电阻状态切换到低电阻状态，两个状态的开关比约为10³。器件在正向电压和负向电压的作用下实现了高电阻状态和低电阻状态的可逆切换，这是由于铁电极化改变pmnpt/crsite3界面的电子的浓度的不同导致的。此外，铁电极化具有非易失性，因此铁电场效应晶体管也表现出非易失性，如图3和图4所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。同时在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。且在本发明的附图中，填充图案只是为了区别图层，不做其他任何限定。
1.一种铁电二维场效应晶体管，其特征在于：包括由下至上依次设置的底部金电极层（1）、铁电衬底层（2）、沟道层（3）、钛层（4）、顶部金电极层（5）和包覆层（6），所述底部金电极层（1）附着于铁电衬底层（2）的底部用作底栅，所述钛层（4）附着于顶部金电极（5）和沟道层（3）之间，所述顶部金电极层（5）包括制作于沟道层上部的源极、漏极和顶栅，所述包覆层（6）包覆沟道层和顶部电极层，所述铁电衬底层（2）用于在外部施加门电压时改变沟道层（3）电子掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述的一种铁电二维场效应晶体管，其特征在于：所述沟道层（3）采用二维半导体材料。
3.根据权利要求1所述的一种铁电二维场效应晶体管，其特征在于：所述沟道层（3）采用crsite3。
4.根据权利要求1所述的一种铁电二维场效应晶体管，其特征在于：所述铁电衬底层（2）采用铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷材料。
5.根据权利要求1所述的一种铁电二维场效应晶体管，其特征在于：所述包覆层（6）采用六方氮化硼。
6.根据权利要求1所述的一种铁电二维场效应晶体管，其特征在于：所述底部金电极层（1）厚度为50nm,钛层（4）厚度为2nm，顶部金电极层（5）厚度为40nm。
7.根据权利要求1所述的一种铁电二维场效应晶体管，其特征在于：所述沟道层（3）的厚度为10-40nm，长度为1-35μm。
8.根据权利要求1所述的一种铁电二维场效应晶体管，其特征在于：所述包覆层（5）的厚度为10-100nm。
9.一种铁电二维场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
采用铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷材料作为铁电衬底层（2），对所述铁电衬底层（2）表面进行除杂，在所述铁电衬底层（2）的底面通过电子束蒸发生长形成底部金电极层（1）用作底栅，在所述铁电衬底层（2）的顶面作标记；
获取二维半导体材料，将二维半导体材料通过聚二甲基硅氧烷设置在所述铁电衬底层（2）的顶面标记处，形成沟道层（3）；
将所述铁电衬底层（2）甩两层胶，其中第一层是170nmmmael6，第二层是200nmpmma5，在所述沟道层（3）上绘制顶部电极图案，并依次进行曝光、显影、异丙醇定影、镀膜和剥离，其中镀膜是连续用电子束蒸发生长2nmti和热蒸发生长40nmau，形成顶部金电极层（4）用作源极、漏极和顶栅；
获取六方氮化硼材料，将六方氮化硼材料通过聚二甲基硅氧烷设置在所述沟道层（3）上并覆盖所述顶部金电极层（5），形成包覆层（6）用于防止器件氧化。
10.根据权利要求9所述的一种铁电二维场效应晶体管的制备方法，其特征在于：利用干法转移将二维铁磁半导体材料crsite3转移到铁电衬底上。
技术总结