本技術涉及一種以鈮酸鋰或鉭酸鋰單晶為柵介質的神經形態晶體管及其制備方法，屬于半導體器件。
背景技術：
1、隨著信息技術的快速發展，人們的生活品質得到進一步提高，但海量的數據依舊依靠馮·諾依曼架構進行處理。這種存儲和計算單元相分離的傳統計算架構在無法實現指令和數據的同時獲取的同時，也需要頻繁的訪存操作，從而導致數據處理效率低，工作能耗高的等問題。
2、神經形態晶體管是一種受到生物神經系統高效、低功耗信息處理能力啟發的新型器件，其目的是通過模擬突觸塑性行為來像大腦一樣工作。這些器件具有優異的非易失性，在存儲數據的同時也能執行數據的計算。因此，與傳統晶體管相比，神經形態晶體管運行能耗更低，并且高效的并行計算也大大提高了系統計算的容錯率。目前神經形態晶體管根據材料和工作機制的不同已衍生出多種類型，并在多種領域表現出強大的應用前景。其中，鐵電場效應晶體管（fefet）由于鐵電材料的自發極化特性，并且可以在外電場的作用下調制半導體溝道的電導率，從而實現了非易失性地切換和存儲信息，而且由于fefet工作電壓低、電學性能穩定，還可實現大規模集成，適用于神經形態工程領域。
3、單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰是一種鐵電材料，其極化狀態可以在外電場的作用下發生改變，并且在去除電場后仍能保持其狀態，這種特性使得單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰在微電子器件領域具有巨大的應用價值。在室溫下，單晶鈮酸鋰的自發極化可以達到70~80?μm/cm2，并且擁有較高的居里溫度（1210?℃），這使得該材料在高溫環境下仍能保持鐵電性能。值得注意的是，基于單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰薄膜的fefet具有極低的漏電流、優異的電流開關比和超低的亞閾值擺幅，因此具備低功耗、高效率計算的潛力。此外，單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰的鐵電疇壁可以作為信息傳輸的通道，通過控制疇壁的位置和極化狀態，可以實現信息的存儲和處理。這種機制與生物神經系統中的神經突觸傳遞信息的方式類似，因此，單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰鐵電晶體管在模擬人腦工作機制的神經形態計算系統中具有重要的應用潛力。同時，單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰具有優異電光效應，具有極低的光吸收損耗和非線性光學特性，常被視為電光調制器、光學波導和激光器等光電器件的理想材料。基于單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰的fefet也被用于人工視覺突觸，用來模擬生物的視覺感知，因此如何在襯底上高質量地外延生長單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰薄膜，從而制備具有鐵電特性的神經形態晶體管具有重要的意義。
4、目前單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰薄膜的制備通常采用晶體離子切片技術（cis），cis是一種用于制造高質量單晶薄膜的技術，但在工藝中需要進行離子注入和熱處理。當具有高能量的h+或he+被注入到體材料中，會形成埋藏的損傷層，待快速熱退火（rtp）后才能得到單晶薄膜。但這些步驟可能會引入缺陷，如晶格損傷和表面粗糙度增加。控制這些缺陷對于獲得高質量的薄膜至關重要。因此往往需要配合化學機械拋光（cmp）來降低薄膜的粗糙度。其工藝繁瑣，投入成本較大。
技術實現思路
1、為解決基于單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰的fefet現有技術中，單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰薄膜的制備技術存在的容易引入缺陷、工藝繁瑣、成本較大的問題，本技術提供了一種以鈮酸鋰或鉭酸鋰單晶為柵介質的神經形態晶體管的技術方案以及相應的制備方法，在以(0001)取向鈮酸鋰或鉭酸鋰作為特定的襯底選擇，在其表面外延生長znsno3薄膜作為底柵電極，進而實現可以直接沉積單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰薄膜作為柵介質層，通過這樣特定的結構選擇和搭配實現有效避免了晶格失配的情況發生，同時也減少了緩沖層的引入，并且薄膜的生成均可采用物理氣相沉積法，安全性更高，工藝成本更低。
2、本技術采用如下技術方案：
3、根據本技術的一個方面，提供了一種以鈮酸鋰或鉭酸鋰單晶為柵介質的神經形態晶體管，包括自上而下設置的襯底層、底柵電極層、柵介質層和圖案化的電極組件；
4、所述襯底層的材料包括單晶linbo3(0001)或單晶litao3(0001)；
5、所述底柵電極層包括單晶znsno3薄膜；
6、所述柵介質層包括單晶linbo3或單晶litao3薄膜。
7、單晶linbo3(0001)或單晶litao3(0001)是指晶面指數為(0001)的鈮酸鋰或鉭酸鋰，其具有高純度和良好的晶體完整性，有助于保證外延層的質量和性能。
8、單晶znsno3與優選襯底材料結構相同，能有效避免晶格失配導致的界面應力，減少缺陷。
9、自上而下設置的襯底層、底柵電極層、柵介質層由物理氣相沉積法在襯底層上依次沉積底柵電極層、柵介質層后得到。
10、在其中一個實施方式中，所述底柵電極層的厚度為100?nm~400?nm。
11、在其中一個實施方式中，所述柵介質層的厚度為100?nm~2?μm。
12、在其中一個實施方式中，所述圖案化的電極組件包括溝道層、源極、漏極；
13、所述溝道層位于源極和漏極之間。
14、在其中一個實施方式中，所述溝道層的材料選自n型半導體材料。
15、在其中一個實施方式中，n型半導體材料優選為igzo氧化物半導體材料。
16、在其中一個實施方式中，源極、漏極均為低功函數金屬電極。
17、在其中一個實施方式中，低功函數金屬電極的材料選自au、cr、ni、pt中的至少一種。上述源極、漏極的材料的選擇目的是獲得具有較低功函數的金屬電極。
18、根據本技術的另一個方面，提供了一種上述以鈮酸鋰或鉭酸鋰單晶為柵介質的神經形態晶體管的制備方法，包括如下步驟：
19、提供包括單晶linbo3(0001)或單晶litao3(0001)材料的襯底層；
20、采用物理氣相沉積法，在襯底層上生長包括單晶znsno3薄膜的底柵電極層，然后在底柵電極層上生長包括單晶linbo3或單晶litao3薄膜的柵介質層；
21、采用濺射法，在柵介質層上制作圖案化的電極組件。
22、在其中一個實施方式中，生長單晶的條件包括：在真空條件下，將基材預熱，然后在氧壓條件下，將基材熱處理，然后在基材上進行物理氣相沉積，得到目標薄膜然后進行原位退火；
23、其中，基材為襯底層或沉積有底柵電極層的襯底層。
24、在其中一個實施方式中，預熱的條件包括：以5?°c/min?~20?°c/min的升溫速率將基材升溫至450?°c?~500?°c后保持3?min?~5?min，
25、在其中一個實施方式中，氧壓條件包括：持續通入氧氣，氧壓為20?pa?~30?pa；
26、在其中一個實施方式中，熱處理的條件包括：將基材升溫至600°c~700?°c后保持3min?~5?min，
27、在其中一個實施方式中，原位退火的條件包括：調整通入氧氣達到大氣壓強下，保持熱處理的溫度30?min~60?min，然后降溫至350?℃~400?℃，停止通入氧氣，并在真空條件下自然降溫。
28、在其中一個實施方式中，物理氣相沉積選自脈沖激光沉積；
29、脈沖激光沉積的條件包括：激光器的激光能量為120?mj?~140?mj，頻率為1hz?~3hz。
30、在其中一個實施方式中，制作圖案化的電極組件的過程包括：
31、以n型半導體材料為靶材，射頻濺射沉積形成溝道；
32、以低功函數金屬為靶材，在溝道兩側分別直流濺射沉積形成源極、漏極。
33、在其中一個實施方式中，物理氣相沉積法的過程中還包括預濺射5?min?~10?min去除靶材表面的雜質，靶材為單晶znsno3、單晶linbo3或單晶litao3
34、本技術的有益效果包括：
35、本技術提供的神經形態晶體管，采用鈮酸鋰或鉭酸鋰單晶為fefet的柵介質，相較于其他鐵電材料，單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰表現出更好的鐵電特性，能幫助fefet降低工作電壓的同時減少漏電流的產生，晶體管中所用到的柵電極材料單晶znsno3薄膜與單晶的柵介質材料和襯底材料結構相同，保證了單晶薄膜之間的晶格匹配，從而減少了緩沖層的引入。
36、本技術提供的神經形態晶體管的制備過程中，采用的單晶鈮酸鋰(0001)或鉭酸鋰(0001)作為襯底，通過脈沖激光沉積技術能外延生長出晶格匹配的單晶znsno3薄膜，然后實現在單晶znsno3薄膜上可以繼續外延生長出z切的單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰薄膜。本技術中的單晶znsno3薄膜不單可以用于z切的單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰薄膜的生長，而且其具有良好的導電性，適用于器件的電極結構。除此之外，單晶znsno3薄膜具有較高的透光率和化學穩定性，有利于光電神經形態應用。