[发明专利]柔性可编程存储器、制备方法及其反相器、逻辑门电路

说明书

公开一种柔性可编程存储器、制备方法、利用柔性可编程存储器构建的可编程反相器、可编程逻辑门电路，解决了将Parylene及其上的电子器件转移至任意柔性衬底上的柔性电子器件制备工艺，避免了器件加工过程对器件的机械损伤；同时，通过优化工艺流程，利用金属电极作为掩模实现对有机铁电栅薄膜的图形化，实现了有机材料与传统CMOS工艺的相兼容。这种柔性可编程存储器，其从下至上包括：派瑞林薄膜、二维材料、作为源极和漏极的金属、有机铁电薄膜、栅极金属；在派瑞林Parylene薄膜的下表面贴附柔性衬底。

技术领域

本发明涉及柔性可穿戴技术与半导体信息技术的领域，尤其涉及一种柔性可编程存储器，以及这种柔性可编程存储器的制备方法，利用柔性可编程存储器构建的可编程反相器，可编程逻辑门电路。

背景技术

随着大数据、物联网、人工智能等新兴技术领域的迅速崛起，传统冯诺依曼体系计算机因存储器与CPU相互独立的结构设计，在计算能力、速度以及功耗等方面展现出了局限性。因此，探索新一代计算机体系架构来打破存储器与CPU之间的“壁垒”成为当今信息科学发展的一个热点问题。在生物体大脑中，信息的大量存储和快速处理是相互兼容的，即将存储单元和计算单元融合在一起。近年来，受到大脑高效、并行工作方式的启发，在存储单元中实现计算任务的存内计算技术为新一代信息科学的发展提供了一条独特的解决路径。存内计算的实现离不开对兼具数据存储和逻辑运算的新型器件结构设计和材料体系的探索。

先进纳米材料，如二维纳米材料石墨烯、硫化钼，一维纳米材料碳纳米管以及零维纳米材料量子点等，因其独特的物理、化学特性为新型电子器件的研究提供了丰富的材料体系。近年来，基于先进纳米材料的神经突触器件通过模拟类生物体突触的可塑性实现了信息的记忆和处理。然而，目前大部分神经突触器件很难实现规模化神经网络的构建，而针对单个器件的研究主要集中在对突触可塑性的模拟上，对于如何利用先进纳米材料构筑面向存内计算的兼具数据存储与逻辑运算的可编程逻辑门器件的研究相对较少。

2020年，瑞士的研究人员在Nature上发文报道了基于MoS₂浮栅型晶体管的存内计算器件，成功地在存储器件中实现了可编程逻辑运算。这项工作首先设计制备了基于MoS₂沟道、7nm厚的氧化铪隧穿层、5nm厚的Pt浮栅层、30nm厚的氧化铪背栅绝缘层以及2nm/80nm厚的Cr/Pd背栅电极层的浮栅型场效应晶体管，并在此基础上设计制备了反相器、两输入以及三输入逻辑门器件，验证了存储信号对逻辑输出的影响机制，为研制存算一体化器件提供了设计思路。但是，这种器件结构存在以下几个问题：首先，浮栅型的存储器结构复杂，增加了器件制备工艺的难度；其次，浮栅型存储器的写入或编程电压较大；最后，本文所述背栅型器件结构不利于多器件的互联。

相比而言，铁电栅场效应晶体管不仅具有非挥发性存储特性，同时还具有结构简单、操作电压小等特点。2020年，复旦大学的研究人员提出了利用有机铁电栅硫化钼场效应晶体管器件同时实现逻辑和原位存储应用。该工作设计制备了有机铁电材料P(VDF-TrFE)作为顶栅介质，MoS₂作为沟道材料的双顶栅型场效应晶体管器件，实现了非挥发性存储特性以及与逻辑运算。但是，该工作采用双顶栅结构，在同一器件中实现的逻辑运算容易受到输入信号的相互干扰，并且不利于进一步研制更多输入以及更为复杂的逻辑运算。

并且，目前关于柔性存算一体化器件的研究工作较少，而且大部分柔性器件采用在柔性衬底上直接制备电子器件的方式。已报道的柔性器件多采用PET作为衬底，其具有耐温低，易变形等缺陷，容易在后续微纳加工中产生机械损伤，从而引发器件失效。因此，探索与传统微纳加工工艺相兼容的柔性器件制备技术，并将其应用于基于铁电栅场效应晶体管的柔性存算一体化器件的制备，对于发展现代信息技术具有重要意义。

发明内容