Advanced Materials:基于纳米铁电材料的范德华异质结构铁电场效应晶体管

近年来随着摩尔定律逐渐走向终结,构筑不同于传统硅基CMOS的新型先进电子信息器件并实现复合器件功能成为后摩尔时代的关注热点。其中基于二维材料的范德华异质结构器件被行业誉为超越摩尔的一个突破点。同时利用铁电材料作为栅介质的铁电场效应晶体管作为一种新型的电子信息器件在低功耗芯片和非易失存储等方面有展现了良好的应用前景。构建具有二维范德华异质结构的铁电场效应晶体管,有望在未来实现信息处理器件与储存器件的片上集成,从而突破冯诺依曼体系中的“内存墙”瓶颈。但是基于薄膜的主流铁电材料与二维异质结构的缺乏好的兼容性,大大限制了二维铁电晶体管的发展。而近期发现的二维层状硫代磷酸盐铁电材料,由于其接近室温的居里温度在某种程度上限制了其在实际中的应用。

中南大学孙健教授和张斗教授针对这一问题开展合作研究,通过熔盐法合成的了一种与二维范德华异质结构兼容的铁电材料:Na0.5Bi4.5Ti4O15(NBIT)纳米薄片,并对它的铁电性质进行了详细的表征,该材料铁展现出良好的铁电性以及远高于室温的居里温度。通过范德华堆叠技术,制成了基于二硫化钼半导体沟道的全范德华异质结构双栅铁电场效应晶体管,该器件具有一个NBIT作为介电层的铁电顶栅。首先得益于NBIT材料高达94的介电常数,栅极可以实现对二硫化钼沟道载流子输运特性的的高效电学调控,从而在实验中观测到了二硫化钼中的绝缘体-金属相变,以及接近200 cm2/Vs的高电子迁移率。实验发现NBIT中存在由氧空位造成了电荷陷阱,其存在会对二硫化钼沟道造成与铁电相反的逆时针滞回,该滞回信号在100°C高温下依然保持稳定,可以实现短程储存功能。NBIT中的氧空位密度可以通过优化材料生长工艺和后处理的技术手段得以调控。更值得一提的是,在具有双栅结构的晶体管器件中通过耦合双栅调控, NBIT中电荷陷阱和铁电性对于二硫化钼沟道调控主导性的可以被可控地转换。

我们相信在未来通过优化材料和器件结构,有望实现同时具有短程和长程记忆的新型复合功能存储器件。相关结果在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202004813)上。该项研究获得了国家自然科学基金、湖南省百人计划、湖湘高层次人才聚集工程以及粉末冶金国家重点实验室的支持。