二維層狀半導(dǎo)體材料得益于原子級薄的厚度，其受到靜電場屏蔽效應(yīng)大大減弱，利用門電壓可以對其電學(xué)性能進行有效調(diào)控。利用二維層狀半導(dǎo)體材料構(gòu)建的多端憶阻晶體管（Memtransistor）可以模擬人腦中復(fù)雜的突觸活動，有望應(yīng)用于未來非馮架構(gòu)的神經(jīng)形態(tài)計算等。此外，相比于平面構(gòu)型，二維納米功能材料通常具有開放且潔凈的界面，這使其能夠進行任意垂直組裝，可實現(xiàn)硅基半導(dǎo)體工藝所不能兼容的多層向上集成范式，從而在單位面積內(nèi)沿z軸獲得更高密度集成。因此，基于垂直架構(gòu)的二維納米電子學(xué)器件，已經(jīng)成為當(dāng)前延續(xù)摩爾定律的一個重要研究方向。迄今為止，針對鐵電二維材料憶阻晶體管的研究仍然匱乏，尤其是具有垂直構(gòu)型的門電壓可調(diào)的憶阻器件的研究一直缺失，主要原因是傳統(tǒng)基于隧穿架構(gòu)的二維憶阻器難以在垂直方向兼具更高性能和有效柵極調(diào)控特性。
近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心研究人員與國內(nèi)多家單位合作，通過設(shè)計二維半導(dǎo)體與二維鐵電材料的特殊能帶對齊方式，將金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）與非隧穿型的鐵電憶阻器垂直組裝，首次構(gòu)筑了基于垂直架構(gòu)的門電壓可編程的二維鐵電存儲器。該研究成果于11月17日以“A gate programmable van der Waals metal-ferroelectric-semiconductor vertical heterojunction memory”為題在線發(fā)表于《先進材料》（Advanced Materials）。
研究團隊使用二維層狀材料CuInP2S6作為鐵電絕緣體層，利用二維層狀半導(dǎo)體材料MoS2和多層石墨烯分別作為鐵電憶阻器的上、下電極層，形成金屬/鐵電體/半導(dǎo)體（M-FE-S）架構(gòu)的憶阻器；同時，在頂部半導(dǎo)體層上方通過堆疊多層h-BN作為柵極介電層引入了MOSFET架構(gòu)。底部M-FE-S憶阻器件開關(guān)比超過105并且具有長期數(shù)據(jù)存儲能力，且阻變行為與CuInP2S6層的鐵電性存在較強耦合（圖1）。此外，研究人員通過制備3×4的陣列結(jié)構(gòu)，展示了該型鐵電憶阻器件應(yīng)用于存儲交叉陣列（crossbar array，實現(xiàn)隨機存取存儲器（RAM）的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)）的可行性（圖2）。進一步，研究人員通過在上方MOSFET施加?xùn)艠O電壓，有效調(diào)控了二維半導(dǎo)體層MoS2的載流子濃度（或費米能級），從而對下方M-FE-S憶阻器的存儲性能進行操控（圖3）。基于以上結(jié)果，研究人員展示了該型器件的門電壓可調(diào)多阻態(tài)的存儲特性（圖4）。
本研究所展示的門電壓可編程的鐵電憶阻器有望在未來人工突觸等神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，并可能引發(fā)基于二維鐵電材料制備多功能器件的開發(fā)。此外，該工作所提出的MOSFET與憶阻器垂直集成的架構(gòu)可以進一步擴展到其他二維材料體系，從而獲得性能更加優(yōu)異的新型存儲器。
該項研究由中科院金屬所王漢文助理研究員主導(dǎo)，國內(nèi)外多家單位合作完成，博士生李婉瑩和郭藝萌為共同第一作者。工作得到了國家重點研發(fā)計劃青年項目、國家自然科學(xué)基金青年項目/面上項目/聯(lián)合培育項目、沈陽材料科學(xué)國家研究中心等項目支持。
全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202208266
圖1 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計及兩端鐵電憶阻器的存儲性能。a)器件結(jié)構(gòu)示意圖。b）器件的阻變行為。c）少層CuInP2S6的壓電力顯微鏡相位和幅值圖。d）器件在不同溫度下的輸運行為。e）存儲器的數(shù)據(jù)保持能力測試。f）存儲器開關(guān)比統(tǒng)計圖。
圖2 鐵電憶阻器存儲陣列演示。a）二維鐵電RAM結(jié)構(gòu)示意圖。b）CuInP2S6/MoS2界面的HAADF-STEM照片。c）3×4陣列的SEM圖像。d）局部放大圖。e）3×4陣列的光學(xué)照片。f-g）通過讀取3×4陣列中每個交叉點的高阻態(tài)和低阻態(tài)編碼的“I”、“M”和“R”的簡化字母。
圖3 器件的可編程存儲特性。a）器件結(jié)構(gòu)示意圖。b）MoS2層的轉(zhuǎn)移特性曲線。c-d）異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)圖。e-f）通過施加門電壓實現(xiàn)了對存儲窗口從有到無的調(diào)控。
圖4 門電壓可編程存儲器的多阻態(tài)存儲特性。a-d）器件在不同門電壓下的存儲窗口。e）器件的多阻態(tài)存儲性能演示。f）柵極調(diào)控的耐疲勞特性。
（來源：中國日報）
