研究进展

基于MoS2-BN-Graphene范德华异质结的多功能半浮栅晶体管

2022-03-15   580    

    南京理工大学严仲副教授和南京大学谢臻达教授在Nano Letters上发表了基于MoS2-BN-Grahene范德华异质结的多功能半浮栅晶体管的研究。该半浮栅器件可以实现运算、存储和整流三种不同的功能。

[背景介绍]

    More than Moore”(超越摩尔)是后摩尔时代推动半导体行业持续发展的主要的技术方案之一。这种方案侧重于半导体器件功能的多样化(Functional diversification),从器件的功能设计、集成方式以及应用上拓展半导体行业的维度,而不是单纯的依靠器件尺寸的微缩来提升器件性能。自2004年石墨烯材料被发现以来, 二维晶体材料已发展成为庞大的家族,涵盖了导体,半导体和绝缘体。二维晶体界面之间依靠范德华力作结合,因此,不同二维材料依靠范德华相互作用可以组合成大量性质各异的范德华异质结。丰富的材料种类和优异的界面特性为设计制备基于二维材料异质结的多功能器件提供了便利,为探索 More than Moore 技术路线提供了契机。

[文章亮点]

    近日,南京理工大学严仲副教授和南京大学谢臻达教授在Nano Letters上发表了基于MoS2-BN-Graphene范德华异质结的多功能半浮栅晶体管的研究。研究团队利用干法定点转移的工艺,制备了MoS2-BN-Graphene范德华异质结,同时参考传统硅基半导体器件的工艺及原理,设计制备出来了半浮栅器件(HFG-FET)。这种器件可以实现三种不同器件的功能:作为场效应晶体管(MOSFET)可以用于逻辑运算;作为非易失性存储器(FG-MOSFET)可以实现数据的存储,数据可以保持10年,存储开关比为103;作为二极管也可以实现整流的功能,整流比高达103,该值可由不同的Vcg进一步调制。

图 1. 基于MoS2-BN-Graphene异质结的半浮栅器件。(a)半浮栅器件结构示意图,其中MoS2为沟道,石墨烯为半浮栅,BN为隧穿层,重掺杂衬底Si为控制栅;(b)半浮栅器件光学照片图,异质结中的MoS2、h-BN和石墨烯区域分别用紫色、蓝色和红色的实线标记,标尺为20μm; (c)器件A为MOSFET,其中电极1和2为源漏两极,电极5为栅极;(d)器件B为FG-MOSFET,其中1和2为源漏两极,衬底Si为控制栅;(e)器件C为二极管,其中电极2为阳极,电极3为阴极。

[总结/展望]

    研究团体设计并制备了具有范德华异质结构的半浮栅晶体管,成功的将场效应晶体管、非易失性存储器(FG-MOSFET)和二极管集成在单一的器件中。这种多功能半浮栅器件不仅可以在逻辑运算、数据存储、整流器开关等方面有潜在的应用。更重要的是,“存算一体”是多功能器件的一个具体的发展方向。传统冯诺依曼架构的计算机,由于计算和存储单元分离,其运输速率和能耗存在瓶颈。我们设计的半浮栅器件作为同时具有计算和存储功能的结构单元,可能为突破冯诺依曼架构的下一代计算机设计铺平道路。
    相关论文发表在Nano Letters上,南京大学博士研究生吴昊为文章的第一作者, 严仲副教授和谢臻达教授为共同通讯作者。


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