基于AlScN和二维半导体制造铁电FET的可扩展方法

电子工程领域的一个关键目标是利用现成的工艺和材料开发越来越紧凑和高效的晶体管和其他电子元件。在已被发现特别有前途的晶体管中，有铁电场效应晶体管(FE-FET)，它类似于传统的FET，但也包含铁电材料。

FE-FET包含由铁电材料制成的栅极绝缘体，可以切换和存储电荷。因此，除了调节传统FET等电子设备中的电流外，这些基于铁电的晶体管还可以用作存储设备。

这种双重功能对于计算要求高的应用程序非常有利，例如运行人工智能(AI)模型，因为它可以让设备更好地支持它们的操作而不会消耗太多功率。尽管FE-FET具有潜力，但尚未大规模推出，部分原因是事实证明，使用现有工艺可靠地大规模制造它们具有挑战性。

宾夕法尼亚大学、宾夕法尼亚州立大学和全球其他大学的研究人员最近推出了一种策略，使用与目前用于生产FET的工艺类似的工艺来制造FE-FET。他们发表在NatureNanotechnology上的论文可以为广泛采用这些双功能晶体管铺平道路。

“我们研究背后的主要动机是证明二维半导体材料(如MoS2)和氮化物铁电体(如AlScN(即氮化铝钪))对于实现紧凑、低功耗和快速的非易失性存储设备非常有吸引力，这些设备可以直接集成在后端生产线(BEOL)工艺中的SiCMOS技术上，”进行这项研究的研究人员之一DeepJariwala告诉Phys.org。“一段时间以来，我们一直在研究用于此应用的二维材料和AlScN。我们目前的论文是对材料放大到大面积和器件缩小到非常小的尺寸和工作电压的绝技演示。”

由于它们几乎无限期地存储和切换电荷的能力，即使在其栅极电子上施加的电压被移除时，FE-FET也可以用作非易失性存储设备。Jariwala和他的同事进行这项研究的主要目标是证明FE-FET可以成功地与硅半导体材料集成，从而可以制造出来支持大数据应用的高带宽存储器需求。

“FE-FET存储的电荷还将2D半导体的电导率调制为高阻或低阻状态，这实际上代表存储在存储设备中的信息，”Jariwala解释说。“我们战略的关键优势在于结合了AlScN铁电材料，这种材料具有极佳的铁电性能，可以在BEOL兼容工艺中沉积，而二维半导体凭借其薄的性质和范德瓦尔斯结构可以对导电性，也可以相对容易地集成。”

研究人员创建的FE-FET将由二维半导体制成的通道与称为AlScN的铁电材料集成在一起，这两种材料都是使用传统的晶圆可扩展工艺生长的。该团队在一系列测试中对大量FE-FET进行了测试，发现它们的性能非常好，内存窗口大于7.8V，开/关比大于107并且导通电流密度大于250μAum–1在~80nm通道长度。

“我们的演示证明2D半导体/AlScNFE-FET器件已准备好与SiCMOS集成，以在未来几代计算机硬件中带来需要高带宽存储器和处理器的大数据计算，”Jariwala说。

“这两类材料都在变得成熟，我们的工作为实现这些材料和存储设备从实验室到铸造厂的飞跃搭建了一座桥梁。”

Jariwala及其同事最近的工作可能很快会有助于FE-FET的大规模实施。到目前为止，他们开发的原型开关电压为3-4伏，可以很好地存储数据，并且可以很容易地与一些当前的硅CMOS处理器集成。在接下来的研究中，研究人员希望进一步减小它们的尺寸，因为这可以促进它们集成到消费电子设备中。

“要真正看到它们在大数据计算方面的优势和性能提升，我们需要进一步缩小这些设备，”Jariwala补充道。“我们现在正朝着这个方向努力，正如我们最近的另一篇论文所示，铁电AlScN可以在5nm厚度下可靠地制造和切换。我们的下一步将是集成2D材料并从5nm厚的AlScN制造FE-FET薄膜真正实现器件并实现与前沿SiCMOS处理器兼容的工作电压。在FE-FET器件级别，我们还需要做更多的工作来提高金属/2D半导体接触电阻值，并使p型FE-FET器件。”