本發明屬于半導體領域，特別涉及一種帶存儲效應的晶體管及其半導體器件。

背景技術：

1、近年來隨著摩爾定律逐漸走向終結，構筑新型先進電子信息器件成了后摩爾時代的關注熱點之一。其中基于二維范德華異質結構的電子器件被行業譽為后摩爾時代的突破點。同時利用具有存儲效應的材料作為柵介質制備的鐵電場效應晶體管是有望突破傳統cmos器件熱力學限制的新型信息器件之一，在低功耗芯片和非易失長程存儲等方面有廣泛應用前景。

2、但是目前鐵電場效應晶體管僅有兩位狀態，且態的對比不高，限制了其進一步小尺寸和高密度方面的應用。

技術實現思路

1、本發明所要解決的技術問題是提供一種帶存儲效應的晶體管及其半導體器件，該晶體管通過在溝道區設置有溝道電極，溝道電極可以和溝道形成結電容，使得代表狀態0和狀態1兩條線的差別可以通過添加溝道電極結電容的電荷調控得到拓展，由2態變為多態，同時調控由二維變為三維，并且可以進一步擴展為多維度；本發明提供了一種減少所需電路面積和降低設備能耗的思路，極大的擴展了晶體管的應用場景，或可考慮添加邏輯門功能和人工突觸仿生功能。實現邏輯功能的時候，溝道電極的一個功能是為了可以從溝道提取電壓。現有coms工藝技術可以完全實現或兼容本發明的新結構，同樣地，三極管工藝也可以提出關于添加溝道電極的新結構。

2、本發明提供了一種帶存儲效應的晶體管，包括：

3、襯底；

4、位于所述襯底一側的溝道區、源區和漏區，所述襯底和摻雜區分別作為所述晶體管的源區和漏區；所述溝道區在延伸方向上具有相對的第一端和第二端；所述源區與所述第一端電接觸，形成源極；所述漏區與所述第二端電接觸，形成漏極；

5、位于所述源區與所述漏區之間的柵極，所述柵極包圍部分所述溝道區，所述溝道區與所述柵極相對的區域之間具有柵絕緣層；

6、位于所述柵極與所述柵絕緣層之間的鐵電材料、磁電材料、相變材料、量子效應材料、阻變效應材料、存儲效應材料、半導體材料、超導材料、導體材料、絕緣材料、介質材料二維材料、一維材料、三維材料、鈣鈦礦材料、氧化物、硫化物、氰化物、氫化物、硅化物中的一種或幾種具有存儲效應的材料、或所述柵極與具有存儲效應的材料之間是柵絕緣層、或所述柵絕緣層本身為具有存儲效應的材料；

7、在所述柵極和溝道區之間的柵絕緣層上或者具有存儲效應的材料上設置有溝道電極、或在溝道區設置有溝道電極，所述溝道電極與所述源極、漏極相互分離；

8、所述至少一個溝道電極由導體、半導體、或導體與半導體的組合組成。所述溝道電極的目的是為了可以和連接部分形成結電容、或者可以用于提取出連接區域的局部電壓、或者可以進行對連接區域的調控。

9、可選的，所述溝道電極包含一個或是多個子溝道電極，所述至少一個子溝道電極用于調控晶體管。

10、可選的，所述溝道電極通過摻雜工藝、或/和沉積工藝、或/和外延工藝、或/和自組裝工藝、或/和旋涂工藝、或/和濺射工藝、或/和填充工藝、或/和roll-to-roll工藝、或/和水熱法工藝、或/和壓印工藝、或/和滾壓工藝、或/和打印工藝、或/和蒸鍍工藝加工。

11、進一步的，所述調控晶體管包括至少一個子溝道電極用于存儲電荷的結電容。

12、進一步的，所述至少一個子溝道電極通過與溝道區、柵絕緣層連接用于調控晶體管。

13、進一步的，具有多個所述子溝道電極時，多個所述子溝道電極位于所述溝道區的同一側面或是多個不同側面。

14、可選的，在所述延伸方向上，所述溝道區的寬度不均勻或均勻；在所述溝道電極與所述溝道區連接的一端指向所述溝道電極遠離所述溝道區的一端的方向上，所述溝道電極的寬度不均勻或均勻。

15、可選的，所述襯底為半導體襯底或是絕緣襯底。

16、可選的，所述溝道電極選自pt、pd、au、ni、ag、cu、al、mo、in、ti中的任意一種金屬或其任意合金組成。例如，所述溝道電極由pt組成。

17、鐵電材料、磁電材料、相變材料、量子效應材料、阻變效應材料、存儲效應材料、半導體材料、超導材料、導體材料、絕緣材料、介質材料二維材料、一維材料、三維材料、鈣鈦礦材料、氧化物、硫化物、氰化物、氫化物、硅化物中的一種或幾種作為絕緣層添加層、絕緣層材料、絕緣層添加材料、半導體層材料、半導體溝道材料、或者溝道電極材料，實現邏輯多態、存儲多態。

18、可選的，所述鐵電材料為h3s、nbn、lah10、batio3、pbzrxti1-xo3、bifeo3、cips(cuinxp(3-x)sy，例如cuinp2s6)、hzo(hfzrox)、mote2、zrtio4、pbtio3、ba(zr,ti)o3、srtio3、bawo4、bafe12o19、ybco(yba2cu3o7-x，例如yba2cu3o7)，bfmo(bife1-xmnxo3,例如bife0.9mn0.1o3)，pcmo(pr1-xcaxmno3，例如pr0.7ca0.3mno3)，lbco(la2-xbaxcuo4，例如la1.9ba0.1cuo4)，smfeaso1-xfx(例如smfeaso0.85f0.15)，cak(fe1-xmx)4as4(例如cakfe4as4)，ndfe1-xmxaso0.85(例如ndfeaso0.85)等中的一種或幾種。

19、可選的，所述相變材料為vo2、ge15sb85、ga36sb64、fe3o4、nbo2、peg((c2h4o)n)、銦(in)和錫(sn)的合金、c60、c70等；rms(rexmo1-xs2)、gst((gete)x(sb2te3)y，aist((ag1-xinx)(sb1-xtex)2，例如ag5in5sb60te30)，gsst(例如ge2sb2se1te4,ge2sb2se4te1)，gd5(si1ge1-x)4(例如gd5si2ge2)，lafe13-xsix(例如lafe12si)，la0.5pr0.5fe11.5-xcoxsi1.5c0.2(例如la0.5pr0.5fe10.7co0.8si1.5c0.2(例如ge2sb2te5)、sb2te3、gsb((gesn)x(sb)y(例如gesnsb)、ast((alsb2)x(te)y，例如al1.5sb3te)、tasg(ti48as30si12ge10)中的一種或幾種。

20、可選的，所述磁電材料為zrtio4、fe2o3、fe3o4、srbatio3、sr1-xbaxtio3、bi4ge3o12、batio3、ba0.8sr0.2tio3、nio、niznfe2o4、linbo3、bto-pzt、bafe12o19、cr2o3、bifeo3、bimno3和lufe2o4、fcsb(fe90co78si12b10)、pmn-pzt((pb(mg1/3nb2/3)o3)1-x-(pb(zr1-ytiy)o3)x，例如pb(mgxnb1-x)o3-pbzro3-pbtio3)、pmn-pt((pb(mg1/3nb2/3)o3)1-x-(pbtio3)x，例如pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3)中的一種或幾種。

21、可選的，所述量子效應材料為ybco、pblatio3、cdse、gaas、pbse、bbo、ppln和鉛、鋅錫合金、冷原子氣體(如銣、鋰、鈉)，鐵、鎳、鈷等磁性材料中的一種或幾種。

22、可選的，所述阻變效應材料為zro2、tio2、ta2o5、bifeo3、srruo3、srzro3、fe3o4、znfe2o4、batio3、pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3、ba(sr0.7ba0.3)tio3、in2o3-sno2、cu2znsnse4、聚苯乙烯(ps)、la1-xsrxmno3、(pb,fe)nbo3cuox(如cuo0.5)、mos2-xo4(如mos2o4)、hfox(如hfo2)、wox(如wo2)、pcmo(pr1-xcaxmno3,例如pr0.7ca0.3mno3)、lsmo(laxsr1-xmno3，例如la0.5sr0.5mno3)、lcmo(laxca1-xmno3,例如la0.7ca0.3mno3)等中的一種或幾種。

23、可選的，所述存儲效應材料為fe3o4、fe2o3、cofe(鈷鐵合金)、feco、fealsi、fept、mnfe、feni、copt、cofeb、sbi3、聚碳酸酯、si3n4、sio2、sioxny、se、bafe12o19、nife、agcl、agbr、ge2sb2te5、gesbte、al2o3/fe、fealox、聚苯胺(pani)中的一種或幾種。

24、可選的，所述超導材料為h2s、cecu2si、cetin5、cept3si、ba0.6k0.4fe2as2、lanic2、laniga2、captas、y3fe5o12/al、2h-mx2(m＝transition?metals；x＝chalcogenides)、2h-nbse2、(magic-angle?twisted?trilayer?graphene)(mattg).、2h-ws2、2hetas2、1td-mote2、w2n3、1t-pdte2、pb10-xcux(po4)6、(li,fe)ohfese、cuinco2te4、yba2cu3o7(釔合金銅氧化物)、ba(fe1-xcox)2as2、pb、mgb2、cuinse2、lafeaso、ba(fe,co)2as2、bscco、gdbco、ibi2sr2ca2cu3o10(bscco)、tl2ba2cuo6、yba2fe3se5中的一種或幾種。

25、可選的，所述半導體效應材料為si、in2se3、gaas、gap、cdse、znse、pbse、bn、zns、pbs、inp、gan、al2se3、alas、inas、sige、cdse中的一種或幾種。

26、可選的，所述鈣鈦礦材料為cspbbr3、mapbi3-xclx、sbt(srbi1-xtixo9，例如srbitio9)、blt(bi4-xlaxti3o12，例如bi3.5la0.5ti3o12)、pzt(pbzr1-xtixo3。例如pbzr0.7ti0.3o3)、cs1-xfaxpbbr3,例如cs0.8fa0.2pbbr3、ch3nh3pbx3(如ch3nh3pbbr3、ch3nh3pbi3)中的一種或幾種。

27、可選的，所述二維材料為gas、h-bn、as2te3、bi2s3、2h-ws2、gase、ges、gese、hfs2、hfse2、in2se3、mos2、2h-mos2、mote2、mose2、mosse、mows2、mowse2、res2、rese2、sb2te3、sns2、snse2、1t-tas2、wse2、zrse2、zrse3、acs中的一種或幾種。

28、本發明還提供了一種半導體器件，包含多個所述的晶體管。

29、進一步的，所述多個晶體管與以下任意一項單層或沿任意方向堆疊的復合層相連：金屬層、半導體、絕緣層。

30、進一步的，同時外加控制電極，實現器件存儲和/或邏輯輸出。

31、可選的，所述半導體器件作為存儲器的存儲陣列單元，所述溝道電極與所述溝道形成用于存儲電荷的結電容；所述柵極和所述溝道電極作為存儲器中所述存儲單元的輸入控制電極。

32、本發明還提供了一種電子裝置，包括如上述任一項所述的半導體器件。

33、本發明所提供的一種半導體器件，通過設置與溝道連接的溝道電極，該溝道電極可以用于對溝道進行控制，也可以作為輸入電極、輸出電極等，從而使得半導體器件集成有更多的功能。

34、本發明還提供了一種存儲陣列，包括：

35、半導體器件，多個所述半導體器件按行和列組成陣列，且，所述多個半導體器件的源區連接至固定電位；

36、多條字線，所述多個半導體器件中位于同一行的半導體器件的柵極連接至相應的一條字線；

37、多條第一位線，所述多個半導體器件中位于同一行或同一列的半導體器件的溝道控制區連接至相應的第一位線；以及

38、多條第二位線，所述多個半導體器件中位于同一列的半導體器件的漏區連接至相應的一條第二位線，

39、其中，所述多條第一位線用于在寫入操作中施加控制區電壓，所述多條第二位線用于在寫入操作和讀取操作中施加漏極電壓，以及在讀取操作中用于檢測漏極電流，所述漏極電流用于表征所述多個半導體器件的存儲狀態。

40、可選地，所述多個半導體器件共用半導體襯底，以形成共源結構。

41、本發明還提供了一種存儲陣列的數據操作方法，包括：

42、在寫入操作中，經由多條字線中的選定字線施加柵極電壓，以及，經由多條第二位線中的選定第二位線施加漏極電壓，以使選定半導體器件處于導通狀態，以及，經由多條第一位線中的選定第一位線向所述選定半導體器件施加控制區電壓，以改變所述選定半導體器件的存儲狀態；以及

43、在讀取操作中，經由多條字線中的選定字線施加柵極電壓，以及，經由多條第二位線中的選定第二位線施加漏極電壓，以使選定半導體器件處于導通狀態，以及，經由所述多條第二位線中的選定第二位線檢測所述選定半導體器件的漏極電流以獲得所述選定半導體器件的存儲狀態。

44、可選地，在讀取操作中，所述多條第一位線斷開或連接至固定電位。

45、可選地，所述多個半導體器件分別包括多個溝道控制區，在寫入操作中分別對所述多個溝道控制區施加相應的控制區電壓以寫入多比特的數字值，在讀取操作中檢測所述多個溝道控制區共同調制的漏極電流以讀取所述多比特的數字值。

46、本發明還提供了一種半導體存儲器件，包含多個所述的器件；

47、電壓寫入、擦除方式結合各端口電壓、控制區電壓兩者進行布置。

48、本發明還提供了一種半導體器件，包含多個所述的晶體管；

49、電壓寫入、擦除方式結合柵極電壓、漏極電壓、控制區電壓三者進行布置。

50、本發明的結構可以用既有工藝線實現，也可以基于既有工藝步驟調整實現，溝道電極、控制區材料可以是半導體材料、導體材料或幾種材料的合并。實際制備過程可能會因制造廠商、器件尺寸和工藝技術等因素而有所不同。本發明的結構可視專利主體來調整。

51、本發明的晶體管可用三維結構圖、二維結構圖示意。

52、有益效果

53、本發明通過在溝道區設置有溝道電極，使得代表狀態0和狀態1兩條線的差別可以通過添加溝道電極結電容的電荷調控得到拓展，由2態變為多態，同時調控由二維變為三維，并且可以進一步擴展為多維度；本發明提供了一種減少所需電路面積和降低設備能耗的思路，極大的擴展了晶體管的應用場景，或可考慮添加邏輯門功能和人工突觸仿生功能，實現邏輯功能的時候，溝道電極的一個功能是為了可以從溝道提取電壓。