以MoS2為代表的二維半導體材料廣泛應用于場效應晶體管（FET）存儲器和光電探測器等器件中。然而，MoS2晶體管的研究大多集中于n型晶體管，實現其可編程的雙極性調控操作面臨挑戰。近日，華東師范大學物理與電子科學學院褚君浩院士和段純剛教授團隊，田博博教授和朱秋香副教授利用半導體能帶理論闡明了界面接觸對雙極性電輸運行為的影響機制，并提出了一種采用范德華隧道結(MoS2/h-BN/金屬)作為溝道的垂直隧穿鐵電場效應晶體管，不僅實現了雙極性的電輸運特性，還獲得了巨隧穿電致阻變效應和優異的存儲特性。該新穎的結構設計使鐵電疇對MoS2費米能級從導帶底附近到價帶頂附近的有效調控和勢壘敏感的直接量子隧穿效應完美結合，展現出雙極性電輸運特性的同時，獲得高達109的巨大開關比。該垂直隧穿鐵電場效應晶體管具有極低的操作能耗，僅需消耗0.16 fJ能量便可開啟超過104的x開關窗口。同時，該垂直隧穿鐵電場效應晶體管表現出優秀的非易失存儲特性，如大于107的耐疲勞特性，亞微秒的操作速度和大于20個非易失存儲狀態等。
Nature Communications刊登田博博課題組研究成果
該研究不僅為獲取雙極性電輸運提供理論和實驗指導，還驗證了通過外部鐵電調控隧穿勢壘來控制電輸運的可行性，為先進鐵電存儲技術的設計靈活性和功能多樣性提供了新的探索方向。研究成果以“Giant tunnel electroresistance through a Van der Waals junction by external ferroelectric polarization”為題發表于Nature Communications。華東師范大學為論文第一完成單位，田博博教授和朱秋香副教授為論文通訊作者，馮光迪博士后為論文第一作者。團隊受邀在Behind the paper欄目撰寫了研究經歷。這是該課題組今年第二次以華東師范大學為第一完成單位在Nature Communications發表論文。今年1月份，該課題組在Nature Communications報道了鐵電鰭式二極管的新型存儲器，并實現了1.6 K規模的單層神經網絡芯片。
垂直隧穿鐵電場效應晶體管。a 垂直隧穿鐵電場效應晶體管結構示意圖。b 鐵電聚合物薄膜疇結構的PFM相位圖，該疇結構形象的說明了鐵電疇對低維半導體費米能級從導帶底附近到價帶頂附近的有效調控。c 垂直隧穿鐵電場效應晶體管的雙極性電輸運和巨大開關比的轉移特性曲線。d 鐵電疇對垂直隧穿結的勢壘調控機制圖。
該項研究得到了國家自然科學基金優青、國家重點研發計劃青年科學家等項目的資助。該項研究感謝上海類腦智能材料與器件研究中心、極化材料與器件教育部重點實驗室和華東師范大學微納加工平臺等實驗平臺支持。
附：
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54114-3
Behind the Paper：https://communities.springernature.com/posts/giant-tunnel-electroresistance-through-a-van-der-waals-junction-by-external-ferroelectric-polarization?channel_id=behind-the-paper
來源｜物理與電子科學學院、科技處 編輯｜蔣萱 編審｜郭文君
