清華新聞網(wǎng)11月15日電 自從集成電路發(fā)明以來(lái)，晶體管尺寸的不斷微縮推動(dòng)信息時(shí)代飛速發(fā)展。但是，隨著制程節(jié)點(diǎn)進(jìn)入亞10納米，傳統(tǒng)硅基場(chǎng)效應(yīng)晶體管由于受到短溝道效應(yīng)等限制，器件尺寸進(jìn)一步縮小日漸困難。在后摩爾時(shí)代，為了不實(shí)際縮小器件尺寸而繼續(xù)獲得縮放的性能優(yōu)勢(shì)，人們提出了可重構(gòu)晶體管的概念?？芍貥?gòu)晶體管可以在單個(gè)晶體管器件上實(shí)現(xiàn)多種自由切換的功能，因此能夠減小器件的有效線(xiàn)寬，擴(kuò)展集成電路的功能，提升系統(tǒng)的集成度。然而，硅基晶體管難以實(shí)現(xiàn)單器件層級(jí)的可重構(gòu)性；雖然可以通過(guò)控制電路和附加的存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)芯片層級(jí)的可重構(gòu)性，但是這些附加電路和存儲(chǔ)單元導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜性升高、集成度下降、制造成本增加。因此，發(fā)展超越硅基的新型可重構(gòu)器件成為集成電路領(lǐng)域發(fā)展的迫切需求。
以過(guò)渡金屬硫族化物（TMDCs）為代表的二維半導(dǎo)體材料擁有原子級(jí)厚度、無(wú)懸掛鍵的層狀結(jié)構(gòu)和易被外場(chǎng)調(diào)控的電學(xué)性能，具有實(shí)現(xiàn)晶體管器件可重構(gòu)功能的巨大優(yōu)勢(shì)。為了構(gòu)建二維可重構(gòu)器件，需要對(duì)二維半導(dǎo)體溝道材料進(jìn)行可逆摻雜；為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更多的可重構(gòu)功能，則需要對(duì)可逆摻雜位點(diǎn)進(jìn)行局域精細(xì)化調(diào)控。這使得器件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與可重構(gòu)功能的豐富性之間存在天然的矛盾。低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的器件，如單柵極可重構(gòu)器件，僅能實(shí)現(xiàn)兩種或三種可重構(gòu)功能；為了實(shí)現(xiàn)三種以上的可重構(gòu)功能，人們發(fā)展出多柵極器件和離子型柵極器件，但多柵極或異質(zhì)材料的引入又使得二維可重構(gòu)器件像硅基可重構(gòu)器件面臨的困境一樣，不可避免地增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和制造成本。因此，如何在低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的器件上實(shí)現(xiàn)豐富的可重構(gòu)功能，仍然是極具挑戰(zhàn)性的難題。
針對(duì)上述關(guān)鍵問(wèn)題，清華大學(xué)材料學(xué)院劉鍇課題組以雙極性的二碲化鉬（MoTe2）作為溝道材料，基于“有效柵壓”調(diào)控的溝道梯度摻雜機(jī)制，在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的單柵極晶體管器件中實(shí)現(xiàn)了迄今報(bào)道的最為豐富的可重構(gòu)功能。其基本原理是在二維MoTe2器件兩側(cè)同時(shí)施加大源漏電壓和大柵壓，使得在沿溝道方向上引入梯度分布的有效柵壓。該有效柵壓能精準(zhǔn)控制溝道表面的氣體吸脫附，從而實(shí)現(xiàn)雙極性MoTe2溝道的梯度摻雜和極性調(diào)控。通過(guò)控制在重構(gòu)過(guò)程中施加的源漏電壓和柵極電壓，可以在溝道中引入不同的梯度摻雜分布，從而實(shí)現(xiàn)器件的多種可重構(gòu)功能，包括極性可調(diào)的二極管、存儲(chǔ)器、邏輯存儲(chǔ)器、三端人工神經(jīng)突觸等豐富的功能（圖1）。
圖1.單柵極可重構(gòu)MoTe2器件的摻雜機(jī)理和基本工作原理
開(kāi)爾文探針力顯微圖像顯示，通過(guò)精確調(diào)控的梯度摻雜，可以分別將可重構(gòu)MoTe2器件重構(gòu)為np結(jié)和pn結(jié)、p摻雜和n摻雜四種狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)極性可調(diào)的二極管功能和存儲(chǔ)器功能。在二極管狀態(tài)下，器件的整流比可達(dá)104，并且擁有光電探測(cè)能力。作為存儲(chǔ)器，器件擁有約25V的存儲(chǔ)窗口，存儲(chǔ)比超過(guò)103，保持時(shí)間超過(guò)36h（圖2）。
圖2.基于有效柵壓調(diào)控的梯度摻雜實(shí)現(xiàn)極性可調(diào)的MoTe2二極管和存儲(chǔ)器
生物可塑性是生物學(xué)習(xí)和記憶的基礎(chǔ)。該研究報(bào)道的可重構(gòu)MoTe2器件可以作為人工神經(jīng)突觸，模擬生物突觸的多種可塑性功能（包括生物同突觸可塑性、異突觸可塑性的穩(wěn)態(tài)功能和異突觸元可塑性功能），這對(duì)構(gòu)建高穩(wěn)定性、強(qiáng)特異性的新型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)十分有利。在模擬生物異突觸元可塑性時(shí)，該器件同時(shí)擁有低至7.3fW的調(diào)制功耗，優(yōu)于之前報(bào)道的擁有元可塑性的二維人工神經(jīng)突觸（圖3）。
圖3.基于有效柵壓調(diào)控的梯度摻雜模擬生物同突觸可塑性、異突觸可塑性的穩(wěn)態(tài)功能和異突觸元可塑性功能
研究人員進(jìn)一步展示了可重構(gòu)MoTe2器件的連續(xù)重構(gòu)能力。該器件可以在多種可重構(gòu)功能之間連續(xù)切換，并且在經(jīng)過(guò)100次的重構(gòu)后，依然保持性能穩(wěn)定（圖4）。
圖4.可重構(gòu)MoTe2器件的連續(xù)可重構(gòu)操作
該研究深化了人們對(duì)二維半導(dǎo)體材料和器件中有效柵壓和梯度摻雜概念的理解，解決了可重構(gòu)器件的低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與豐富的可重構(gòu)功能之間的矛盾難題，為高性能、多功能二維可重構(gòu)器件的構(gòu)建提供了全新的思路。
相關(guān)成果以“可編程梯度摻雜用于可重構(gòu)碲化鉬器件”（Programmable graded doping for reconfigurable molybdenum ditelluride devices）為題，近日在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際著名期刊《自然·電子學(xué)》（Nature Electronics）上。
材料學(xué)院2019級(jí)博士生彭瑞軒為論文第一作者，劉鍇副教授為論文通訊作者。論文的其他重要合作者包括清華大學(xué)物理系范守善院士，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院周鵬教授，清華大學(xué)材料學(xué)院宋成教授、王琛副教授，香港科技大學(xué)范智勇教授，清華大學(xué)材料學(xué)院2019級(jí)博士生吳永煌、博士后石潤(rùn)等。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41928-023-01056-1
供稿：材料學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
