基于垂直架構(gòu)的新型二維半導(dǎo)體/鐵電多值存儲(chǔ)器

一、研究背景：

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(jìn)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(dòng)，有望應(yīng)用于未來非馮架構(gòu)的神經(jīng)形態(tài)計(jì)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(jìn)行任意垂直組裝，可實(shí)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(gè)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。

二、文章簡介：

近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心王漢文助理研究員團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)多家單位合作，通過設(shè)計(jì)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(chǔ)器。相關(guān)研究成果在Advanced Materials上。博士生李婉瑩和郭藝萌為共同第一作者。

圖1. 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及兩端鐵電憶阻器的存儲(chǔ)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(yùn)行為。e)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保持能力測試。f)存儲(chǔ)器開關(guān)比統(tǒng)計(jì)圖。

三、研究內(nèi)容：

研究團(tuán)隊(duì)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(shí)，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(chǔ)能力，且阻變行為與CuInP2S6層的鐵電性存在較強(qiáng)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(chǔ)交叉陣列(crossbar array，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu))的可行性(圖2)。進(jìn)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(fèi)米能級)，從而對下方M-FE-S憶阻器的存儲(chǔ)性能進(jìn)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(chǔ)特性(圖4)。

圖2. 鐵電憶阻器存儲(chǔ)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(gè)交叉點(diǎn)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)了對存儲(chǔ)窗口從有到無的調(diào)控。

圖4. 門電壓可編程存儲(chǔ)器的多阻態(tài)存儲(chǔ)特性。a-d)器件在不同門電壓下的存儲(chǔ)窗口。e)器件的多阻態(tài)存儲(chǔ)性能演示。f)柵極調(diào)控的耐疲勞特性。

四、結(jié)論與展望：

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(jì)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(jìn)一步擴(kuò)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(chǔ)器。

審核編輯：湯梓紅

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2019-04-28 09:57:17

怎么將串口接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在二維數(shù)組中

怎么將串口接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在二維數(shù)組中，數(shù)組大小是定的，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)從第一行第一列開始，往下存儲(chǔ)，這個(gè)程序該怎么寫，我試過for循環(huán)和while循環(huán)，都不能將從串口接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在二維數(shù)組中。

2017-12-10 18:51:46

怎么求二維數(shù)組均值啊

`怎么按列、行求得二維數(shù)組的均值啊`

2013-09-06 12:45:46

數(shù)字電子技術(shù)--半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

數(shù)字電子技術(shù)--半導(dǎo)體存儲(chǔ)器[hide][/hide]

2017-05-01 22:26:01

求教：proteus 可以仿真鐵電存儲(chǔ)器FM25640嗎？

proteus 可以仿真鐵電存儲(chǔ)器FM25640嗎？或者直接用哪兒器件可以替代仿真嗎？

2015-07-27 17:24:15

計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的新技術(shù)描述

、計(jì)算機(jī)程序、中間運(yùn)行結(jié)果和最終運(yùn)行結(jié)果都保存在存儲(chǔ)器中。它根據(jù)控制器指定的位置存入和取出信息。存儲(chǔ)器的分類概述按存儲(chǔ)介質(zhì)分 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器：用半導(dǎo)體器件組成的存儲(chǔ)器

2021-09-09 07:47:39

計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器有何用途呢

計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器有何用途呢？半導(dǎo)體存儲(chǔ)器可分為哪幾類呢？

2022-01-21 06:12:54

集成鐵電存儲(chǔ)器的MCU有何作用

用一個(gè)鐵電存儲(chǔ)器可取代原MCU需配置的2~3個(gè)不同的存儲(chǔ)器，統(tǒng)一的存儲(chǔ)器架構(gòu)使用戶在成本和靈活性上獲益。這種集

2021-11-10 08:28:08

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器測試技術(shù)

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器測試原理,半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的性能測試,集成電路測試系統(tǒng).

2008-08-17 22:36:43

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半導(dǎo)體存儲(chǔ)器課件(PPT電子教案)

7.1.1　半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的特點(diǎn)與應(yīng)用7.1.2　半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類7.1.3　半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)　　半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是用半導(dǎo)體器件來存儲(chǔ)二值信息的大規(guī)模集成電路?！?/div>

2009-07-15 18:40:53