基于氧化铟纳米线的高性能侧栅铁电场效应晶体管在非易失存储器中的应用

advs非易失性存储器件是集成电路中的重要组成部分,随着电子科学技术的发展,人们对于存储器件缩小尺寸、降低能耗等的要求也越来越高。铁电场效应晶体管(FeFET)利用铁电材料在电场作用下的极化偏转来实现存储的功能,由于其具有低功耗、非易失性存储、操作快速、无损读写的特点,获得了广泛地关注。在可应用于FeFET的各种铁电材料中,有机铁电材料具有质量轻、柔韧性好的特点,并且可以通过溶液处理的工序进行制备,非常适合大规模电路集成的应用。然而,很多性能优异的有机铁电聚合物,如偏氟乙烯和三氟乙酸的共聚物(P(VDF-TrFE)),易溶于加工过程中常用的有机溶剂,并且受到电子束等的照射后铁电性能会发生退化。因此,利用紫外光刻等方法制作相应有机铁电聚合物作为介质层的顶栅晶体管需要寻找特殊的溶剂;而使用电子束曝光或者离子刻蚀的方法制作沟道宽度小于1微米的独立顶栅结构,还存在铁电介质可能受到损伤的问题。这些都使有机铁电场效应晶体管的集成化变得困难。

与此同时,一维半导体纳米线在微电子领域具有优秀的应用前景,其自身的一维结构特别利于器件的集成,超大的比表面积也使纳米线作为半导体沟道时容易接受外加场的调控。除传统的硅纳米线外,金属氧化物纳米线也是一类非常值得关注的纳米材料体系。如氧化铟纳米线,制备方法简单,迁移率可以达到1490 cm2/V•s,具有一个较宽的带隙(∼3.6 eV),同时具有良好的稳定性,可以应用于光学、传感器、存储器等多种领域。

武汉大学物理科学与技术学院廖蕾课题组利用一维In2O3纳米线和P(VDF-TrFE)设计制作了一种新型侧栅结构的铁电场效应晶体管。晶体管的源级、漏极和栅极通过一步电子束曝光的过程成型,在电极制作完成后将铁电介质层通过溶液旋涂的方式沉积到表面上。这种方法不仅使器件的制作工艺简化,而且有机铁电介质层在沉积后不需要再经历任何溶液处理或者刻蚀的工序,保护了有机铁电介质层。此外,处于最外层覆盖的有机聚合物介质层对器件的电极和半导体沟道部分又可以起到保护的作用。获得了高性能的铁电场效应晶体管,器件电流开关比大于106,亚阈值斜率达到110 mV/dec,保持时间超过5×105秒。另外,课题组还进一步研究了这种侧栅晶体管结构中存储回滞现象和侧栅几何结构配置的关系。相关论文发表在Advanced Science. (DOI: 10.1002/advs.201600078)