近日，南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院謝臻達(dá)教授和南京理工大學(xué)嚴(yán)仲副教授發(fā)表了基于MoS2-BN-Graphene范德華異質(zhì)結(jié)的多功能半浮柵晶體管的研究。該半浮柵器件可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算、存儲和整流三種不同的功能。研究團(tuán)隊利用干法定點(diǎn)轉(zhuǎn)移的工藝，制備了MoS2-BN-Graphene范德華異質(zhì)結(jié)，同時參考傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體器件的工藝及原理，設(shè)計制備出來了半浮柵器件（HFG-FET）。這種器件可以實(shí)現(xiàn)三種不同器件的功能：作為場效應(yīng)晶體管（MOSFET）可以用于邏輯運(yùn)算；作為非易失性存儲器（FG-MOSFET）可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，數(shù)據(jù)可以保持10年，存儲開關(guān)比為103；作為二極管也可以實(shí)現(xiàn)整流的功能，整流比高達(dá)103，該值可由不同的Vcg進(jìn)一步調(diào)制。
圖一：基于MoS2-BN-Graphene異質(zhì)結(jié)的半浮柵器件。（a）半浮柵器件結(jié)構(gòu)示意圖，其中MoS2為溝道，石墨烯為半浮柵，BN為隧穿層，重?fù)诫s襯底Si為控制柵；（b）半浮柵器件光學(xué)照片圖，異質(zhì)結(jié)中的MoS2、h-BN和石墨烯區(qū)域分別用紫色、藍(lán)色和紅色的實(shí)線標(biāo)記，標(biāo)尺為20μm; (c)器件A為MOSFET，其中電極1和2為源漏兩極，電極5為柵極；（d）器件B為FG-MOSFET，其中1和2為源漏兩極，襯底Si為控制柵；（e）器件C為二極管，其中電極2為陽極，電極3為陰極。
“More than Moore”（超越摩爾）是后摩爾時代推動半導(dǎo)體行業(yè)持續(xù)發(fā)展的主要的技術(shù)方案之一。這種方案側(cè)重于半導(dǎo)體器件功能的多樣化（Functional diversification），從器件的功能設(shè)計、集成方式以及應(yīng)用上拓展半導(dǎo)體行業(yè)的維度，而不是單純的依靠器件尺寸的微縮來提升器件性能。自2004年石墨烯材料被發(fā)現(xiàn)以來， 二維晶體材料已發(fā)展成為龐大的家族，涵蓋了導(dǎo)體，半導(dǎo)體和絕緣體。二維晶體界面之間依靠范德華力作結(jié)合，因此，不同二維材料依靠范德華相互作用可以組合成大量性質(zhì)各異的范德華異質(zhì)結(jié)。豐富的材料種類和優(yōu)異的界面特性為設(shè)計制備基于二維材料異質(zhì)結(jié)的多功能器件提供了便利，為探索 More than Moore 技術(shù)路線提供了契機(jī)。
研究團(tuán)體設(shè)計并制備了具有范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半浮柵晶體管，成功的將場效應(yīng)晶體管、非易失性存儲器（FG-MOSFET）和二極管集成在單一的器件中。這種多功能半浮柵器件不僅可以在邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲、整流器開關(guān)等方面有潛在的應(yīng)用。更重要的是，“存算一體”是多功能器件的一個具體的發(fā)展方向。傳統(tǒng)馮諾依曼架構(gòu)的計算機(jī)，由于計算和存儲單元分離，其運(yùn)輸速率和能耗存在瓶頸。我們設(shè)計的半浮柵器件作為同時具有計算和存儲功能的結(jié)構(gòu)單元，可能為突破馮諾依曼架構(gòu)的下一代計算機(jī)設(shè)計鋪平道路。
相關(guān)論文發(fā)表在Nano Letters上，南京大學(xué)博士研究生吳昊為文章的第一作者， 嚴(yán)仲副教授和謝臻達(dá)教授為共同通訊作者。
論文英文原題： Multifunctional Half-Floating-Gate Field-Effect Transistor based on MoS2?BN?Graphene van der Waals Heterostructures
