基于多层2D-hBN的晶体管及多值存储器

基于多层2d-hbn的晶体管及多值存储器
技术领域
1.本发明涉及一种晶体管及多值存储器，具体而言，是一种基于多层二维氮化硼材料的滑移铁电性及其多稳态制成的晶体管及多值存储器。


背景技术：

2.随着大数据时代的到来，人工智能(ai)的发展使人们生活日渐便利，比如图像识别与智能控制等应用，但也对计算硬件和系统提出了挑战。传统的冯诺依曼计算架构表明处理器和存储器在物理空间上是独立存在的，当处理大量数据时，数据在存储器和处理器中的移动导致了大量的能耗以及较低计算速度，严重影响了人工智能的进一步应用。为了进一步提高传统计算机的性能，需要在一定的面积/体积内集成更多的处理器和内存。然而，当传统的硅基晶体管进入5nm节点后，沟道长度和栅介质厚度只有纳米尺度，使半导体沟道中的载流子迁移率迅速下降，同时也降低了栅控能力，短沟道效应逐渐显著。这种情况下，器件的亚阈值摆幅（ss）会逐渐增加，漏电流也会上升，使得静态损耗无法忽略。因此，探索新材料、新器件来有效降低ss值以减小能耗显得十分必要。
3.近年来，为了延续场效应晶体管（fets）的有效电控能力，沟道半导体厚度应小于静电屏蔽长度和栅极长度的三分之一。基于此，二维（2d）层状半导体具有明显的优势，作为最薄的晶体（通常来说小于1nm）拥有出色的电学性质，并且没有任何悬挂键，可以将器件的特征尺寸在不降低栅控能力的基础上推动到3nm以下。二维材料的带隙范围很广，从金属到半导体再到绝缘性能，为器件的设计和优化提供了自由的选择。并且，二维材料的原子级厚度有利于器件小型化和快速散热，使得相应器件能继续延续摩尔定律。如今，基于二维材料的各种器件逐渐成为热点，但是关于常见的六方氮化硼（hbn）的应用大多都是利用其带隙大的特点，直接应用于栅介质层，基于此材料的其它性质仍然可以进一步探索。
4.另一方面，铁电材料如今广泛应用于纳米电子器件中，比如非易失性存储器中。铁电材料是指，在没有电场的情况下，材料中稳定存在的电偶极子在空间有序排列，形成宏观铁电极化；通过施加电场，可以将此宏观极化进行方向上的转变，撤去电场后，此反向极化仍然稳定存在。通过将传统场效应晶体管中的栅介质替换为铁电材料就可以形成铁电场效应晶体管（fe-fet），它具有极低的功耗并且与传统集成电路工艺兼容。因此，对于二维铁电材料也随着fe-fet的研究变得逐渐火热，但目前仍然在起步阶段，因为随着退极化场的影响，在维度趋近于二维极限时，铁电极化会被这个退极化场基本屏蔽，铁电性还能幸存下来的体系很少。如何发现合适的二维铁电材料，变成了亟需解决的问题。
5.由于半导体工艺技术发展的限制和器件物理尺寸极限的接近，传统金属氧化物半导体场效应晶体管（mosfet）。多层h-bn探索到的滑移铁电性，可以通过层间滑移，实现电极化翻转；以及其具有不同极化强度的多种稳定存在状态，使h-bn在作为介质层时可以有效地调节晶体管阈值电压的大小，通过合适的堆垛使晶体管具有不同的阈值电压，形成多值存储器，大大减小了集成电路的尺寸和单元器件的密度。因此探究基于多层2d-hbn的多值存储器是一个重要的课题。


技术实现要素：

6.针对现有传统硅基mosfet技术节点随着摩尔定律的逐渐失效而无法下降，以及传统存储器只能存储一个比特的问题，本发明利用多层2d-hbn作为介质层，通过每一层的滑移实现不同的铁电极化切换从而调控阈值电压，提供一种能够将基于铪锆氧的fefet变成以hbn为栅介质、其他二维材料（tmds）作为沟道材料的多值fefet，具有能耗低、单个单元存储数更多的特点。
7.为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于多层2d-bbn的晶体管，包括衬底、形成于衬底上的沟道以及分别形成于沟道上的源极、漏极、介质层，介质层位于栅极和沟道之间，晶体管的介质层由多层2d-hbn制成，多层2d-hbn的每层之间错位堆叠，错位堆叠的多层2d-hbn造成外层电子云的畸变，从而得到自发极化，极化后的多层2d-hbn通过层间滑移，即沿着armchair方向平移单胞中层内相邻b、n原子之间的距离，实现面外电极化的翻转。
8.进一步的，通过偏置探针使层间平移。
9.进一步的，由双层2d-hbn构成的介质层具有ab堆叠和ba堆叠两种方式，ab堆叠方式的每一层相对在下面的n原子都对应相应上方结构中的空位，具有向上的极化方向，ba堆叠方式的b原子都对应相应上方结构中的空位，具有向下的极化方向，沿着armchair方向整个层平移层内相邻b、n原子之间的距离实现ab堆叠和ba堆叠的转换，即实现面外电极化的翻转。
10.进一步的，由三层2d-hbn构成的介质层通过不同的堆叠方式分别获得两个极化强度相反以及一个极化强度为零的层状结构，这三种结构均可以作为初始状态，在初始状态的基础上进行层间滑移，得到不同的过渡路径以及势垒大小。
11.进一步的，由四层2d-hbn构成的介质层通过不同的堆叠方式分别获得两个极化强度最大且方向相反以及两个极化强度与双层hbn结构相同且方向相反的层状结构，这四种结构均可以作为初始状态，在初始状态的基础上进行层间滑移，得到不同的过渡路径以及势垒大小。
12.进一步的，对于由三层2d-hbn构成的介质层，有两种过渡路径，其中一种是以极化方向向下的层状结构作为初始状态，初始状态的结构称为a结构，在初始状态的基础上，通过左移最上层后，得到极化强度为0的b结构，再右移最下层，得到极化强度大小与a相同但方向相反的c结构。
13.进一步的，对于由三层2d-hbn构成的介质层，另一种过渡路径是以极化方向向下的层状结构作为初始状态，初始状态的结构称为a结构，将a结构中最上层和最下层平面分别左移和右移得到极化强度大小与a相同但方向相反的c结构。
14.进一步的，对于由四层2d-hbn构成的介质层，选取最小势垒的过渡路径，以极化强度最大且方向向下的层状结构作为初始状态，初始状态的结构称为a结构，在初始状态的基础上，通过左移最上层后，得到极化强度减小但方向仍然向下的b结构，再左移上面两层，得到极化强度大小与b相同但方向相反的c结构，最后右移最下面一层，得到极化强度大小与a相同但方向向上的d结构。
15.本发明还公开一种基于2d-hbn的多值存储器，所述多值存储器基于上述晶体管制成，通过晶体管介质层的层间滑移，得到不同的极化强度大小结构，最终调控阈值电压大
小。
16.进一步的，由双层2d-hbn构成介质层的晶体管形成0/1存储器，由三层2d-hbn构成介质层的晶体管形成3值存储器，由四层2d-hbn构成介质层的晶体管形成4值存储器。
附图说明
17.图1是双层bn晶格中电极化产生原子级结构示意图；图2是双层bn晶格中简并态之间的滑移路径、势垒大小以及极化大小示意图；图3是三层和四层bn晶格中各简并态中电极化产生结构及滑移示意图；图4是三层和四层bn晶格中简并态之间的滑移势垒大小以及极化大小示意图；图5是三层bn晶格中同时移动两层界面的滑移过程以及其势垒的大小示意图；图6是传统半导体场效应晶体管和以多层hbn为栅介质层构成的铁电场效应晶体管基本单元结构示意图；图7是基于多层2d-hbn多值存储器与传统mosfet在正栅压情况下能带图的对比示意图；图8是以四层hbn为栅介质层构成的铁电场效应晶体管的转移特性曲线示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
19.实施例1本实施例公开一种基于多层2d-hbn的晶体管，如图6所示，包括衬底、形成于衬底上的沟道以及分别形成于沟道上的源极、漏极、介质层，介质层位于源极和漏极之间，介质层上形成有栅极，晶体管的介质层由多层2d-hbn制成，多层2d-hbn的每层之间错位堆叠，错位堆叠的多层2d-hbn造成外层电子云的畸变，从而得到自发极化，极化后的多层2d-hbn通过层间滑移，即沿着armchair方向平移单胞中层内相邻b、n原子之间的距离，实现面外电极化的翻转。
20.氮化硼bn，作为简单的双原子体系，原子b和n的电负性差别较大，而面内键合很强，面外键合很弱，是很好的范德华（vdw）材料。单层bn并不具有极性和铁电性，而双层bn层间范德华相互作用占主导，层间耦合很弱，意味着层间整体位移较为容易，并且双层bn结构中由于外层电子云的畸变可以得到自发极化。通过特定取向和特定距离的层间滑移，即沿着armchair方向平移层内相邻b、n原子之间的距离(1.45
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),可实现不同堆叠的转换，即实现面外电极化的翻转。这种滑移极化翻转模式，是一种不同于传统铁电极化翻转的模式。它精巧地利用了vdw二维材料层间微弱耦合的特点，构建了一种晶格整体层移，从而完成快速的整体极化翻转，避免了传统的畴壁运动完成极化翻转的模式。而这种平移方式在2021年5月著名期刊《science》上，m. vizner stern等人报道，可以通过用偏置的探针在单个畴上进行扫描，来诱发局部电场，因此连续用正偏置尖端扫描可以使畴壁发生极化翻转，原理是基于畴壁的重新分布。由于两种畴壁之间的极化反向，因此垂直电场可以移动畴壁，诱导铁电开关，在结果中看到的极化翻转认为是层间平移造成的影响。以此研究为基础，其为实现层与层之间的平移提供了实验上的可能。
21.本实施例基于quantum atk软件，此软件是第一性原理计算软件，也就是利用密度
泛函理论，引入最少的经验参数进行薛定谔方程的求解后得到电子结构，然后进行其他性质的分析。基于上述的双层结构，接着提出了多层的hbn结构。通过和两层结构中类似的堆叠方式，如三层中极化向上的结构中，可以将六边形中上方n原子都置于下方的b原子上，这样下方的结构中n原子上方就是空位，可以实现电子云的畸变，使得每一层相对在下面的n原子都对应相应上方结构中的空位，极化强度会有倍增的结果。在第一性原理计算软件中，因为指定的初始状态不同，即不同的堆叠方式，结构优化时会在此初始状态寻找局域最优解，不同堆叠方式带来的结构优化后的结构不同。因此，通过结构优化后，极化强度会在三层的结构中可以分别获得两个极化强度相反以及一个极化强度为零的层状结构。这些结构类似于反铁电结构，但是由于这几个结构的能量差都十分小，并且滑移的势垒极低，此处不认为是反铁电结构。通过特定的层间滑移，包括同时移动第一层和第三层的bn向相反方向平移1.45
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，或者先移动顶层bn向一个方向，距离为1.45
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，找到稳定过渡态（极化强度为0）后，再移动底层bn向相反方向，距离也为1.45
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，可以得到势垒并不相同，这里可以解释为界面的摩擦过程不同：同时移动两层意味着两层界面都有摩擦，而单层的分别移动等效于每次只有一层界面的摩擦，因此势垒不同。这个理论在四层的hbn结构中也有所验证。此处说明，通过不同的滑移过程，可以得到不同的过渡路径以及势垒大小，针对多层hbn，需要探索合适的滑移过程以形成不同的极化强度大小结构，最终调控阈值电压大小。
22.对于四层hbn结构，通过结构优化得到四种简并态，分别具有不同的极化强度。如果以双层的自发极化强度为标准p，那么四层结构分别有3p、p、-p和-3p的自发极化强度。并且通过适当的滑移（每次都只有一个界面的摩擦，即相对来说对每一层进行1.45
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的沿armchair方向的移动），每两个简并态之间的势垒大小都近似相等，与双层bn两个简并态之间的势垒相同。受此启发，对于多层的hbn，可以通过合适的堆叠（类似三层结构中每两层之间的六边形结构中间均有b或n原子来造成电子云的畸变，从而导致自发极化），得到更多的不同极化强度，从并且层间整体位移并不会因为层数的增加而变得困难，因此，我们提出了基于多层hbn作为电介质层的fefet。
23.实施例2本实施例公开一种基于多层2d-hbn的多值存储器，所述多值存储器基于上述晶体管制成，通过晶体管介质层的层间滑移，得到不同的极化强度大小结构，最终调控阈值电压大小。多值存储的具体过程，通过将fefet中的多层hbn进行适当的平面滑移可以得到不同的稳定结构并具有不同的极化强度，导致晶体管的栅控能力（所加栅压产生反型电子的数量）互不相同，最终导致了阈值电压的不同，形成多个存储窗口，从而实现了多值存储。
24.对于fefet来说，通过将传统的二氧化硅所处的氧化介质层替换为具有铁电性质的多层hbn材料后，例如n型fet中，当铁电极化向下时，电子会积累在沟道区，所需要提供的反型电子减小，意味着阈值电压左移；当铁电极化向上时，极化正电荷会中和反型电子，使得阈值电压右移。由于阈值电压的不同，器件可以形成一个存储窗口（memory window），于是可以将逻辑晶体管转换为非易失性晶体管，而这种晶体管在断开电源时会失去一个状态。断电后仍然可以保持状态。随着hbn层数变多而具有更多简并态时，因为极化强度不同会对阈值电压造成不同程度的影响，也就会具有更多的阈值电压值，为多值存储器的研究奠定基础。此外，将铁电材料应用于介质层时提高了栅极的控制能力，就可以显著降低ss值，形成nc-fet从而打破玻尔兹曼极限，为器件的低功耗也提供了可能。值得注意的是，此
处的fefet与基于铪锆氧的铁电存储器不同，不能通过栅极所加电压进行极化状态的切换，只能通过平面内的层平移进行状态的转变。
25.本发明在两层hbn铁电材料的基础上研究了三层乃至多层的铁电极化大小及路径势垒大小，通过适当的滑移改变材料的极化方向和大小，以此为基础进一步建立起一个以多层hbn为栅介质层的fefet，显著简化了存储器多值存储的探究过程，进一步提高了存储器的利用效率，通过hbn每一层的平移从而改变材料的极化大小，能更有效地观察阈值电压的偏移。这些为晶体管以及存储器的快速发展开辟了新的道路，为新型存储器单元提供了一种全新的应用方案。
26.图1给出了不同于传统单层bn-aa’无极性、无自发极化的双层bn电极化产生原子级结构示意图。对于aa’堆叠结构，可以看到上层b原子与下层n原子重叠，下层b原子与上次n原子重叠，电负性带来的电极化相互抵消，因此电子云并不发生畸变呈现无极化表现。对于ab堆叠结构，上层取一个六边环，6个原子分别标注为（1-2-3-4-5-6）。对应地，基于俯视图重叠，也从下一层附近位置提取出一个六边环，6个原子分别标注为（1
’‑2’‑3’‑4’‑5’‑6’
），按照俯视图和侧视图模式，两个六边环分别展示于图1中。由俯视图，上下层的六边环是错位的，对于ab堆叠，n3-b2’、n5-b6’重叠，由于b和n的电负性差别较大，b带正电，n带负电，因此极化强度向上。对于ba堆叠，b6-n1’、b4-n3’重叠，因此极化强度向下。此处确认了双层bn的铁电性：自发电极化存在，虽然其大小可能不大，但不会像单层bn一样由于对称性而归零，并且为多层hbn具有不同的极化强度提供可能。
27.图2给出了双层bn晶格中简并态之间的滑移路径、势垒大小以及极化大小示意图。从图1的ab堆叠和ba堆叠结构可以看到相反的宏观电极化p，从组态和能量角度看，两者是简并态，但这里与传统意义上的极化翻转模式不同，无法直接通过垂直平面的电场切换平面外极化，因此采取了如图2所示的滑移方式。m. vizner stern等人已经在2021年从实验上证明了双层hbn通过偏置探针使层间平移从而实现极化反转的可能性，双层hbn层间由vdw相互作用占主导，层间耦合很弱，意味着层间整体位移较为容易。沿着armchair方向整个层平移层内相邻b、n原子之间的距离(1.45
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)可实现ab堆叠和ba堆叠的转换，即实现面外电极化的翻转。通过第一性原理计算，计算其nudged elastic band(neb)势垒及用berry phase方法计算其自发极化强度，结果如图2所示，这里的势垒大小8.4 mev，自发极化强度2.43 pc/m，与实验上得到的结果相差不大。这种滑移极化翻转模式，是一种不同于传统铁电极化翻转的模式。它精巧地利用了vdw二维材料层间微弱耦合的特点，构建了一种晶格整体层移，从而完成快速的整体极化翻转，避免了传统的畴壁运动完成极化翻转的模式。
28.通过不同的滑移过程，即单层与多层之间的摩擦不同，可以得到不同的过渡路径以及势垒大小，针对多层hbn，通过不同的滑移过程以形成不同的极化强度大小结构，最终调控阈值电压大小。
29.本实施例给出了三层2d-hbn的两种滑移路径以及一种四层2d-hbn的滑移路径，具体如下：图3给出了三层和四层bn晶格中各简并态中电极化产生结构及滑移示意图。在第一性原理计算软件中，因为指定的初始状态不同，即不同的堆叠方式，结构优化时会在此初始状态寻找局域最优解，不同堆叠方式带来的结构优化后的结构不同。这里的结构优化每次以图3中各种结构为初始，利用gga-pbe-d2泛函，考虑层间的色散相互作用以及lcao基组
带来的bsse误差后，进行结构优化可以得到不同的稳定简并态。由图3a可以得到，对于三层hbn结构，通过合适的堆叠方式，可以分别获得两个极化强度相反以及一个极化强度为零的层状结构。对于a结构，极化强度向下，通过左移最上层后，得到极化强度为0的b结构，再右移最下层，得到极化强度大小与a相同但方向相反的c结构。对于四层hbn结构，如图3b，可以分别获得两个极化强度最大且方向相反以及两个极化强度与双层hbn结构相同且方向相反的层状结构。对于a结构，极化强度向下，通过左移最上层后，得到极化强度大小减小但方向仍然向下的b结构，再左移上面两层，得到极化强度大小与b相同但方向相反的c结构，最后右移最下面一层，得到极化强度大小与a相同但方向向上的d结构。值得一提的是，对于四层hbn结构有其他简并态，但经过计算验证，其他结构均包含于此四种结构，极化强度和势垒大小相差无几。因此，可以仿照两层hbn的滑移方式（使用偏置探针），相对容易地实现多层滑移。
30.图4给出了三层和四层bn晶格中简并态之间的滑移势垒大小以及极化大小示意图。对于三层和四层的hbn来说，每两个简并态之间的滑移势垒都与双层bn两个简并态之间的势垒近似相同，均约为8.0 mev，这里的滑移都是指只有一层界面的相对摩擦。就自发极化强度而言，三层的hbn的极化强度大小约为双层hbn极化强度的两倍，四层的hbn极化强度大小约为双层hbn极化强度的三倍，对应于d结构pd=7.19 pc/m，且中间过渡态极化强度大小等于双层hbn极化强度值，对应于c结构pc=2.38 pc/m。这里说明，通过合适的堆叠方式，可以在多层hbn结构中获得更多不同的极化强度值，为多值存储器提供了理论可能。
31.图5给出了三层bn晶格中同时移动两层界面的滑移过程以及其势垒的大小示意图。如果同时移动两层界面，即将图3的a结构中最上层和最下层平面分别左移和右移得到图3中的c结构也就意味着有两层界面同时产生摩擦，与之前的单层摩擦明显不同，因此预估势垒大小会变成原来的两倍，而计算得到的结果也验证了这一猜想，其势垒值增加为16.5 mev。这个理论在四层的hbn结构中也有所验证。因此选用合适的滑移过程可以调控极化强度转变的势垒，进而相对容易地实现滑移。
32.图6给出了传统金属氧化物半导体场效应晶体管和以多层hbn为栅介质层构成的铁电场效应晶体管基本单元结构示意图。与传统mosfet不同的是，这里采用了多层hbn替换原来的氧化层，目的是依靠其具有的滑移铁电性，通过合适的堆叠方式形成fefet，以此获得更低的能耗和陡峭的ss值。并且，这里采用二维材料作沟道材料，如目前研究较多的过渡金属硫化物（tmds），可以在保证足够大开关比的前提下使器件尺寸进一步缩小，以延续摩尔定律。
33.图7给出了基于多层2d-hbn多值存储器与传统mosfet在正栅压情况下能带图的对比示意图。对于n型器件来说，图7(a)所示为传统mosfet在栅极施加正偏压时，沟道处导带底（cbm）逐渐靠近费米能级，但在正偏压没有达到费米势时，无法产生反型电子，只能依靠耗尽层的受主杂质电离的负电荷以终结栅极上的电场线。而对于图7(b)所示的以多层hbn为介质层的fefet来说，在栅极施加正偏压时，若对于指定堆叠方式的多层hbn，即极化方向与外加电场方向一致时，在介质层内部会产生束缚电荷，并且带正电的束缚电荷会靠近半导体沟道一侧，使沟道侧的能带进一步下弯，cbm降低至费米能级以下，在正偏压没有达到费米势时也可以产生反型电子。因此可以预测，其阈值电压会随着反型电子的容易产生左移，器件的开启会更加迅速，实现降低ss值。如果定量分析，ss值有如下定义：
ꢀ
，在此器件中，由于介质层的自发电极化影响，施加一定正向栅压时，对于半导体表面势的增加大于栅压的变化量，从而使得ss值有小于60mv/dec的可能，打破玻尔兹曼极限。这里也进一步说明了通过滑移来调节极化强度，可以降低器件的能耗和提高存储器的使用效率。
34.图8给出了以四层hbn为栅介质层构成的铁电场效应晶体管的转移特性曲线示意图。随着箭头的指向，极化强度不断增加，阈值电压逐渐左移，由于四层hbn中有四种不同的极化强度，因此具有四个不同的阈值电压，分别为v
th1
、v
th2
、v
th3
、v
th4
，对应的极化强度依次减小。在每条转移特性曲线之间可形成存储窗口，使其具有四种不同的存储状态，不同于传统只存储一个比特的存储器，该存储器有希望在以多层hbn介质的存储器中实现更多比特的存储。
35.以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本发明做出的改进和替换，属于本发明的保护范围。