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资讯 近日，中国科学院半导体研究所半导体芯片物理与技术全国重点实验室吴江滨研究员、谭平恒研究员团队与香港大学汪涵教授团队，研制出一种新型“铁电隧穿结”。该器件引入氮化硼、二维滑移铁电材料、单层石墨烯三种关键功能层，可将微弱的极化变化转化为巨大的电阻差，破解了该领域长期存在的大电阻差与高耐反复读写难以兼得的行业瓶颈。实验数据显示，该器件在0.5伏读取电压下电阻开关比达1.9×10^7（1900万），可承受超1000亿次开关，开态电流密度达每平方厘米222安培，能在脉宽低至13纳秒的极短电压脉冲下可靠切换，为开发更省电、更耐用的存储与存算一体芯片提供了新路径。
什么是铁电隧穿结铁电隧穿结可看作一个微型“三明治”：上下两层是电极，中间夹着一层极薄的铁电材料。这层材料本为绝缘体，电子难以通过；但当厚度薄到一定程度后，电子就能像“穿墙”一样隧穿而过。同时，铁电材料的极化方向可以翻转，方向一变，这堵“墙”的高低也随之改变：墙矮时电子容易通过、电流大，记作一种状态；墙高时电子难以通过、电流小，记作另一种状态。两种状态电阻差别越大，数据读出就越准确。图1 滑移铁电隧道结的器件结构、电学特性与性能对比。（A）器件结构示意图；（B）截面STEM与EELS元素分布；（C）关态和开态对应能带示意图；（D）直流扫描?I–V特性曲线；（E）小偏压读出特性；（F–G）8×8阵列SEM图像与I–V曲线；（H）隧穿电阻比–耐久性综合性能对比，本工作同时实现隧穿电阻比?> 107与耐久性 > 1011次。
传统技术面临的瓶颈然而，长期困扰学界的是，大电阻差与耐反复读写往往难以兼得。传统铁电材料“力气大”，能让电阻差别很明显，但反复开关后容易“疲劳”，寿命有限。新型二维滑移铁电材料则相反，它依靠原子层之间极微小的错动来改变状态，几乎不磨损，能反复开关超过1000亿次，比传统材料耐用得多，但极化信号弱、电阻变化不明显，数据读起来费劲。
新型铁电隧穿结的技术突破此次，中国科学院半导体研究所吴江滨研究员、谭平恒研究员团队与香港大学汪涵教授团队合作，在器件中引入三种关键功能层：氮化硼像一道均匀的“薄墙”，减少漏电并提供稳定隧穿势垒二维滑移铁电材料像可滑动的“闸门”，原子层一错动就能调控这道墙的高低单层石墨烯则像灵敏的“感受器”，能察觉变化并调节穿过墙的电子数量三者配合产生“四两拨千斤”的效果，把微弱的极化变化转化为巨大的电阻差别。实验数据显示，在0.5伏读取电压下，这种器件的电阻开关比达到1.9 x 10^7，比此前同类器件提高超过4个数量级。它还能承受超过1000亿次开关，开态电流密度达每平方厘米222安培，并能在脉宽低至13纳秒的极短电压脉冲下可靠切换。研究团队表示，这项成果同时兼顾了高读出信号、高耐久性、大电流、快速切换和低能耗，突破了铁电隧穿结长期存在的瓶颈。
应用前景未来，随着大规模阵列和配套电路完善，这类器件有望用于更高密度、更低功耗的存储和存算一体芯片，让手机、电脑在有限电量下承担更复杂的计算任务。相关成果以“Giant tunneling electroresistance in sliding ferroelectrics”为题，发表于《科学》（Science）。半导体所博士生汪月为论文第一作者，香港大学汪涵教授、半导体所谭平恒研究员和吴江滨研究员为论文通讯作者。半导体所魏钟鸣研究员和刘岳阳研究员、浙江工业大学刘凡新教授指导了该项研究。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、香港研究资助局、北京市自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、张江实验室和苏州实验室的支持。来 源 | 中国科学院
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