二維層狀半導體材料得益于原子級薄的厚度，受到靜電場屏蔽效應減弱，利用門電壓可對其電學性能進行有效調控。利用二維層狀半導體材料構建的多端憶阻晶體管（Memtransistor）可以模擬人腦中復雜的突觸活動，有望應用于未來非馮架構的神經形態計算等。此外，相比于平面構型，二維納米功能材料通常具有開放且潔凈的界面，使其能夠進行任意垂直組裝，可實現硅基半導體工藝所不能兼容的多層向上集成范式，從而在單位面積內沿z軸獲得更高密度集成。因此，基于垂直架構的二維納米電子學器件，已成為當前延續摩爾定律的重要研究方向之一。迄今為止，針對鐵電二維材料憶阻晶體管的研究仍然匱乏，尤其缺失具有垂直構型的門電壓可調的憶阻器件的研究，主要原因在于傳統基于隧穿架構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控特性。
近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心與國內多家單位合作，設計二維半導體與二維鐵電材料的特殊能帶對齊方式，將金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）與非隧穿型的鐵電憶阻器垂直組裝，首次構筑了基于垂直架構的門電壓可編程的二維鐵電存儲器。11月17日，相關研究成果以A gate programmable van der Waals metal-ferroelectric-semiconductor vertical heterojunction memory為題，在線發表在《先進材料》（Advanced Materials）上。
科研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/半導體（M-FE-S）架構的憶阻器；在頂部半導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。底部M-FE-S憶阻器件開關比超過105，具有長期數據存儲能力，且阻變行為與CuInP2S6層的鐵電性存在較強耦合（圖1）。此外，研究通過制備3×4的陣列結構展示了該型鐵電憶阻器件應用于存儲交叉陣列【crossbar array，實現隨機存取存儲器（RAM）的關鍵結構】的可行性（圖2）。進一步，研究在上方MOSFET施加柵極電壓，有效調控了二維半導體層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）。基于上述成果，科研人員展示了該型器件的門電壓可調多阻態的存儲特性（圖4）。
本研究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形態計算系統中發揮重要作用，并或推動基于二維鐵電材料制備多功能器件的開發。此外，該工作提出的MOSFET與憶阻器垂直集成的架構可進一步擴展到其他二維材料體系，從而獲得性能更加優異的新型存儲器。
研究工作得到國家重點研發計劃“青年科學家項目”、國家自然科學基金青年科學基金項目/面上項目/聯合基金項目、沈陽材料科學國家研究中心等的支持。
圖1.器件結構設計及兩端鐵電憶阻器的存儲性能。a、器件結構示意圖；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、存儲器的數據保持能力測試；f、存儲器開關比統計圖。
圖2.鐵電憶阻器存儲陣列演示。a、二維鐵電RAM結構示意圖；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陣列的光學照片；f-g、通過讀取3×4陣列中每個交叉點的高阻態和低阻態編碼的“I”“M”“R”的簡化字母。
