中科院金属所研发出新型门可调阻变存储器

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近期,中国科学院金属研究所(以下简称金属所)沈阳材料科学国家研究中心与国内多家单位合作,研究团队通过设计二维半导体与二维铁电材料的特殊能带对齐方式,将金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)与非隧穿型的铁电忆阻器垂直组装,首次构筑了基于垂直架构的门电压可编程的二维铁电存储器。相关研究成果11月17日在线发表于《先进材料》(Advanced Materials)。

据了解,基于垂直架构的二维纳米电子学器件,已经成为当前延续摩尔定律的一个重要研究方向。迄今为止,针对铁电二维材料忆阻晶体管的研究仍然匮乏,尤其是具有垂直构型的门电压可调的忆阻器件的研究一直缺失,主要原因是传统基于隧穿架构的二维忆阻器难以在垂直方向兼具更高性能和有效栅极调控特性。

为此,研究团队使用二维层状材料CuInP2S6作为铁电绝缘体层,利用二维层状半导体材料MoS2和多层石墨烯分别作为铁电忆阻器的上、下电极层,形成金属/铁电体/半导体(M-FE-S)架构的忆阻器;同时,在顶部半导体层上方通过堆叠多层h-BN作为栅极介电层引入了MOSFET架构。底部M-FE-S忆阻器件开关比超过105并且具有长期数据存储能力,且阻变行为与CuInP2S6层的铁电性存在较强耦合。

此外,研究人员通过制备3×4的阵列结构,展示了该型铁电忆阻器件应用于存储交叉阵列的可行性。研究人员进一步通过在上方MOSFET施加栅极电压,有效调控了二维半导体层MoS2的载流子浓度(或费米能级),从而对下方M-FE-S忆阻器的存储性能进行操控。基于以上结果,研究人员展示了该型器件的门电压可调多阻态的存储特性。

《中国科学报》从金属所获悉,这项研究所展示的门电压可编程的铁电忆阻器有望在未来人工突触等神经形态计算系统中发挥重要作用,并可能引发基于二维铁电材料制备多功能器件的开发。此外,该工作所提出的MOSFET与忆阻器垂直集成的架构可以进一步扩展到其他二维材料体系,从而获得性能更加优异的新型存储器。

相关论文信息:https://doi.org/10.1002/adma.202208266r

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