具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

一种二维材料模拟电路，如图1所示，包括：衬底，双极可调性二维材料，铁电衬底材料薄膜，顶部金属电极，以及底部金属电极。

双极可调性二维材料和铁电衬底材料薄膜层叠设置；双极可调性二维材料的表面设置有顶部金属电极；铁电衬底材料薄膜的表面设置有底部金属电极；铁电衬底材料薄膜用于在不同极化状态下对二维材料中的沟道载流子类型和浓度进行调制；其中，铁电衬底材料薄膜的极化通过在顶部金属电极和底部金属电极之间外接脉冲电场实现。

根据理论，通过铁电材料的近邻极化效应，诱导对二维材料的掺杂，可以克服分裂栅结构所面临的困难，实现对二维材料沟道载流子类型的可重构化调制且无需持续的栅压加持，为基于二维材料的下一代模拟电路提供可行性，具有重要的意义，目前，铁电衬底诱导二维材料沟道用来实现模拟电路目前仍然缺乏足够的研究。铁电衬底材料特别是铌酸锂作为一种能够工业化合成的铁电材料，比较容易获取，且极化性质比较稳定，可以通过施加外加电场使其极化，撤去电场后仍然能保持巨大的内部电场。双极性二维材料(如WSe₂)，其表面无悬挂键利于异质集成，可以使用电场调节其载流子类型和浓度，具有10⁴量级的开关比。将铁电材料与二维材料结合，利用铁电材料的自发极化和剩余极化电场来调制二维材料的沟道导电类型。本实施例将铁电衬底与二维材料结合，通过外电场对电路结构进行图案化设计，实现基于铁电衬底调控的二维材料模拟电路。

相较于分离栅结构，本方案采用对铁电衬底材料外接脉冲电场使其极化，之后撤掉脉冲电场，仅利用铁电衬底材料的极化状态来对二维材料沟道的载流子进行调控，能够大幅度降低功耗；同时，该器件结构结合铁电体与二维半导体材料，通过设置铁电体不同极化状态来调控二维材料沟道，具备可重构电路的存储和计算能力，是实现二维材料多功能性组合的一个良好平台，可用于扩展二维材料在集成电路领域的应用。

优选的，根据实际所需的电路图案，顶部金属电极设置多个，底部金属电极设置多个，并通过选择不同顶部金属电极和底部金属电极组合以及在不同组合之间所接脉冲电场的方向和强度来实现电路图案。

根据实际所需的电路图案，在不同位置设计多个顶部金属电极和底部金属电极，进而通过在铁电衬底不同区域调整外加电场的方向来对铁电衬底的极化做图案化设计，从而调制与其异质集成的二维材料的沟道类型，级联构成具有特定功能的模拟电路，可扩展性强。

例如，器件结构为：(从下至上)衬底-底部金属电极-铌酸锂-硒化钨-顶部金属电极，其中衬底为硅衬底，底部金属电极为Au，铌酸锂为300nm厚的单晶薄膜(铌酸锂铁电薄膜的厚度决定其矫顽场大小，太厚会导致矫顽场较大而难以调节极化状态，太薄会导致矫顽场较小、易受沟道中电场的影响而难以保持极化状态)，硒化钨的厚度大约7-8层(6-7nm，太薄或太厚的硒化钨都是单极导电状态)，顶部金属电极为Cr(20nm)/Au(100nm)(只需要保证电极与硒化钨沟道材料的良好接触即可)。

本实施例方案通过图案化设计铌酸锂的极化状况，可以实现可重构电路结构，实现基于二维材料的模拟差分放大电路、运算放大器、神经形态突触器件、三维集成电路等。采用具有不同功能的二维材料模拟电路可构成模拟集成电路。现给出如下示例：

示例1：

本示例提供了一种铁电衬底调制的整流p-n二极管，其器件结构及其测试结果如图2所示。

其中，X₁和X₂是顶部Cr/Au金属电极，D₁和D₂代表所在铌酸锂区域的两个极化状态。向上极化的区域会在硒化钨沟道中感应并积累电子，向下极化的区域会在硒化钨沟道中感应并积累空穴，两者之间构成二维材料硒化钨的p-n结。对于测试结果，左图为p-n结反向连通，输入正弦电压V₁₂(实曲线表示)，输出电流I_D(虚曲线表示)仅输出反向电流，正向电流截止；右图为p-n结正向连通，输入正弦电压V₁₂(实曲线表示)，输出电流I_D(虚曲线表示)仅输出正向电流，反向电流截止，因此该功能器件具有整流能力，可用作整流二极管。

示例2：

本示例提供了一种铁电衬底调制的桥式整流电路，其器件结构、等效电路及其测试结果如图3所示。

器件结构通过俯视图呈现，图中X₁-X₄为顶部Cr/Au金属电极，底部Au电极用于调制铌酸锂的极化状态(图中未标出)，通过周期性极化调制，使得X₁与X₂、X₃与X₂、X₄与X₃、X₄与X₂之下的硒化钨之间分别构成p-n结D₁、D₂、D₃、D₄，在X₁、X₃两端施加输入电压V_i，在X₂、X₄两端产生输出电流I_o，R₁负载电阻用于测试电流。测试结果为输入正弦电压信号(实曲线表示)，输出全正的电流信号(虚曲线表示)，首尾依次相接的四个二极管，构成了桥式整流电路，能够提取输入的交流电压幅值。多个二极管的连接构成的电路实现，进一步证实了该器件结构的可行性。

示例3：

本示例提供了一种铁电衬底调制的神经形态突触器件，器件结构如图4所示。

该器件包含三个铁电极化区域，左右两个铁电畴施加同样的脉冲电压以产生固定的极化状态，从而使其上的硒化钨具有固定的导电状态。通过施加电压脉冲信号调制中间铁电畴的极化方向与强度，可以改变其上硒化钨的导电载流子类型，从而调节其与左右两侧硒化钨之间的势垒，使导电沟道的电导值大小可调。施加的电压脉冲信号模仿了刺激突触的尖峰脉冲信号，其对导电沟道及其源漏电流的作用模拟了神经突触的权重调制效果，可以实现神经形态突触器件功能。

示例4：

本示例提供了一种二维材料模拟电路的三维集成方案，器件结构如图5所示。

借助二维材料易于集成的能力，可垂直堆叠多层二维材料模拟电路实现更高器件密度的三维集成化应用。存储层和外围电路层的每一层，从上至下均由电极电路互连线、二维沟道材料、铁电衬底、带有底电极的二氧化硅衬底构成。存储层使用交叉棒阵列结构，利用三个铁电畴区域的二维材料实现一个存储单元，对左右两畴施加同样的固定极化，中间铁电畴的极化方向和极化强度决定了铁电衬底表面二维沟道材料的电导值。图中，W_i,j表示其存储值，对中间铁电畴施加脉冲电压写入存储值，通过V_DD和V_SS选择特定存储单元读取存储值。利用铁电衬底剩余极化的保留能力，可实现电流数据的非易失性存储。外围电路层则使用比较器、功率放大器等，进行模拟计算，通过可重构铁电衬底调控的二维材料，实现所需的电路结构，可更加方便、高效、低耗地实现预定的电路功能。这种垂直堆叠的三维结构，可以有效地增大器件密度，减少互连距离，实现低功耗的近内存或存内计算。

实施例二

一种如实施例一所述的二维材料模拟电路的制备方法，包括：

获取衬底，该衬底是通过在硅片上蒸镀底部金属电极并在底部金属电极上覆盖一层铁电衬底材料薄膜得到；

在所述铁电衬底材料薄膜的上表面覆盖一层双极可调性二维材料；

根据实际所需的电路图案去除部分二维材料，并在保留下的部分二维材料上表面制备顶部金属电极。

该制备方法按照自下而上的方法，以二维材料为硒化钨、铁电材料为铌酸锂、顶部金属电极为Cr/Au、底部金属电极为Au为例，如图6所示。

衬底获取：在硅衬底上蒸镀底部金属电极，在其上生长铌酸锂单晶薄膜；

材料转移：利用湿法转移，将附着少层硒化钨的硅片旋涂PMMA，加热固化，置于NaOH溶液中刻蚀硅，待刻蚀完成后使用去离子水小心洗净，将衬底置于去离子水中捞取硒化钨，置于丙酮溶液中浸泡去除PMMA，使用氮气吹干，从而将大块少层硒化钨材料转移至铌酸锂上；

电路制备：旋涂光刻胶，根据所需电路图案使用光刻或电子束曝光(EBL)，保留需要的硒化钨，曝光显影后使用氧等离子体将不需要的硒化钨去除，使用丙酮清洗完光刻胶之后，再旋涂光刻胶，使用光刻/EBL刻蚀电极图案，使用电子束蒸发(EBE)蒸镀制作顶部金属电极；

图案极化：在顶栅和底栅之间加一个脉冲电压，根据所设计的沟道类型对极化区域进行图案化处理。

其中，衬底的获取可通过相关公司定制得到；在旋涂PMMA后加热固化时间尽可能久，使PMMA充分固化，保证其对硒化钨材料的保形覆盖；捞取硒化钨时，操作应该小心谨慎，避免材料在溶液中翻面，尽量保证转移的硒化钨无褶皱；采用的光刻技术与传统CMOS工艺兼容，需要注意选取合适的光刻胶旋涂参数、光刻参数和电子束蒸发的金属。在制备电路之后，施加合适的脉冲电压幅值和持续时间，使其足以调制铌酸锂极化状态。

本实施例制备方法具有工艺简单、与CMOS工艺兼容、可重复性高等优点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。