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)用于存儲交叉陣列（crossbar array，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)存取存儲器（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憶阻器的存儲性能進(jìn)行操控（圖3）?；谝陨辖Y(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(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)異的新型存儲器。
該項(xiàng)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目/面上項(xiàng)目/聯(lián)合培育項(xiàng)目、沈陽材料科學(xué)國家研究中心等項(xiàng)目支持。
圖1 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yùn)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(jì)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(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。
