栅极可编程的范德华金属-铁电-半导体垂直异质结存储器

研究背景

金属-绝缘体-金属(MIM)结中开和关状态之间的可切换电阻现象，一直是电阻性随机存取存储器(ReRAM，也被认为是忆阻器)工业制造的努力。通常，这种电阻切换行为最好在隧穿状态下的两端器件中实现，MIM结中的绝缘体是高k介电材料。通过将介电层替换为铁电层或多铁层，可以建立一个忆阻器家族，其隧穿电阻(TER)继承了铁电特性，并表现出增强的隧穿势垒可调性。最近，人们开发了一些新方法来提高忆阻忆器件的性能或利用其独特的机制。其中，vdW器件具有不需要晶格匹配的界面，并能兼容多种功能的特点。然而，迄今为止，对vdW忆阻晶体管的研究仍然有限，特别是缺少具有M-FE-S特定结构的垂直组装的栅极可调忆阻器件。

成果介绍

有鉴于此，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心王汉文助理研究员团队与国内多家单位合作，通过设计2D半导体与2D铁电材料的特殊能带对齐方式，将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栅极电压可编程2D铁电存储器。通过垂直组装石墨、CuInP2S6和MoS2层成金属(M)-铁电(FE)-半导体(S)结构，展示了一种栅极可编程的多态存储器。该器件无缝集成了Fe忆阻器(开关比超过105且长期保持)和MOSFET的功能。因此，它产生了一个在垂直vdW组件的Fe忆阻器中具有多电平导通状态的栅极可调巨大电阻的原型。第一性原理计算进一步揭示了这种行为源于FE-S界面之间特定的能带对齐。本文的研究发现为铁电介导的存储器工程在未来实现2D纳米电子器件铺平了道路。文章以“A Gate Programmable van der Waals Metal-FerroelectricSemiconductor Vertical Heterojunction Memory”为题发表在顶级期刊Advanced Materials上。