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铁电场效应晶体管作为一种新兴电子信息器件在非易失存储和神经形态计算等方面有广泛的应用前景。在同一种器件结构中实现电学可重构的逻辑存储复合功能是实现存储—逻辑存算一体片上集成的关键技术，是目前铁电器件的前沿研究热点。目前报道的铁电器件可重构性机制主要来自极化电畴对二维材料的互补静电掺杂。
近日，Advanced Materials在线发表了中南大学物理与电子学院孙健教授课题组与粉末冶金国家重点实验室张斗教授课题组合作论文“Reconfigurable Quasi-Nonvolatile Memory/Subthermionic FET Functions in Ferroelectric–2D Semiconductor vdW Architectures”。这项工作在可重构性范德华异质结构铁电晶体管通过界面调控实现了功能可重构新机理。中南大学物理与电子学院王众望博士、刘晓迟副教授、粉末冶金国家重点实验室周学凡博士为论文共同第一作者。罗行副教授和孙健教授为论文共同通讯作者。此研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖南省人才计划等资助支持。
图1. BiT铁电纳米片的晶体结构，铁电性能表征。
图2. MoS2—BiT范德华异质结构铁电晶体管器件。
工作使用的铁电材料是熔盐法制备的Bi4Ti3O12（BiT）氧化物铁电单晶纳米片（图1）。BiT的铁电性通过PFM测量得以验证，利用铁电工作站在BiT电容器中测得BiT在垂直面内的方向有着接近5 μm/cm2的铁电剩余极化强度。氧化物中普遍存在氧空位，实验通过XPS测试验证了BiT中存在着氧空位。BiT的表面平整可以通过范德华堆叠技术与二维材料集成，进而构建MoS2—BiT范德华异质结构铁电晶体管器件（图2）。
图3. BiT氧空位在电场的迁移行为，以及造成的非易失铁电晶体管存储特性。
由于界面氧空位存在，铁电晶体管初始的性能受到氧空位对沟道电子捕获、释放过程的影响。阈值电压发生漂移，铁电极化对沟道的调控被掩盖，器件表现处易失的短程存储性能。文章讨论了在栅压应力下，BiT与MoS2界面处的氧空位对MoS2沟道电子的捕获/释放动力学过程的调控行为。实验发现了在大的负栅压应力作用下，界面处的带电氧空位会出现远离界面的迁移行为。文章中通过施加了-100伏特的大栅压脉冲促使带电氧空位从与二维半导体的界面迁移到与金属栅极的界面，金属栅极内的电子可以隧穿进入BiT中，中和氧空位使其失去迁移性。从而使得器件表现出非易失长程存储器性能（图3）。这种非易失铁电存储功能同时展现出了优异的神经可塑性能，可以用作神经形态计算（图4）。相较忆阻器人工突触器件，铁电晶体管具有高对称和高线性的PSC增强抑制行为。
图5. 界面带点氧空位对铁电畴壁的钉扎效应，以及重构处的负电容晶体管特性。
通过施加负栅压极化BiT，铁电极化电荷会调节界面处的费米能级下移造成氧空位释放电子，使得界面处带点氧空位浓度增高。当将器件温度降至100 K可以减小氧空位的迁移率，促使其和铁电畴壁发生相互作用，进而钉扎界面处的铁电畴使其丧失铁电性。这样就在器件中重构出了“铁电—绝缘层—半导体”的近似负电容晶体管结构。实验中在降温过程中观测到了器件转移特性滞回窗口的逐渐减小直至消失。同时器件的亚阈值摆幅降至接近60 mV/dec。将器件恢复至室温，界面处的铁电畴钉扎不会被解除，器件依旧保持无滞回转移特性，同时测到的亚阈值摆幅小于热发射的极限达到46 mV/dec。这是铁电晶体管中存储—负电容晶体管功能重构性的首次实验报道，为未来可重构铁电晶体管的发展提供了崭新的研究思路。
Zhongwang Wang#, Xiaochi Liu#, Xuefan Zhou#, Yahua Yuan, Kechao Zhou, Dou Zhang, Hang Luo*, Jian Sun*, Reconfigurable Quasi-Nonvolatile Memory/Subthermionic FET Functions in Ferroelectric–2D Semiconductor vdW Architectures, Advanced Mateirals, 2200032 (2022)
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200032
