Graphene/h-BN/MoS2 凡德瓦異質結構之類憶阻電晶體元件

114年08月11日

【本篇報導由物理學系  藍彥文教授研究團隊提供】 　　本文呈現了基於凡德瓦異質結構之快閃記憶體元件的製造與特性分析，該異質結構由石墨烯(Gr)、六方氮化硼(h-BN)和二硫化鉬(MoS2)組成。此元件展現了多功能特性，並表現出類似憶阻電晶體的行為，使其成為適合應用於類神經形態運算。Gr/h-BN/MoS2異質結構通過控制閘極電壓(VBG)操控浮動閘極(FG)中的電荷濃度，實現導電性切換。此外，FG與源極之間的重疊結構使得該裝置能進行類似憶阻電晶體的操作，利用源極電壓(VDS)進行寫入。透過改變FG中的載子儲存濃度，達到多個記憶狀態，提供類比訊號處理的能力。此外，VBG和VDS雙輸入功能的結合，即使在使用較低的讀取VDS時，也能實現顯著的開/關比，從而增強記憶狀態的可靠性。本研究展示了Gr/h-BN/MoS2異質結構在先進奈米電子元件中的潛力，為類神經系統的發展提供了一個適合的平台。   　　隨著人工智慧等技術的快速發展，對硬體計算能力的需求不斷提升。然而，傳統矽基記憶體元件在縮小至奈米尺度時，常面臨短通道效應等問題，影響元件的性能，進而限制了資訊儲存密度的提升空間。二維半導體材料如過渡金屬二硫化物（TMDCs）因其高開關比和高載子遷移率，成為先進電子元件的理想材料。本文探討了結合石墨烯（Gr）、氮化硼（h-BN）和二硫化鉬（MoS2）的凡德瓦異質結構，構建的浮動閘極記憶體元件(如圖一)，展現出類似憶阻電晶體的記憶特性。 圖一：(a)凡德瓦異質結構浮動閘極記憶體示意圖。(b)憶阻特性之汲極與源極電流(IDS)電壓(VDS)曲線。(c)穿隧式電荷儲存式意圖。   　　不同於傳統浮動閘極記憶體需要依賴額外的控制閘極進行寫入操作，本元件利用汲極與浮動閘極的垂直重疊結構，通過施加汲極電壓（VDS）進行寫入。這一操作模式類似於憶阻器透過側向電壓切換高低阻態的機制，並結合傳統電晶體的背閘極開關特性。因此，該元件達成了憶阻電晶體的運作模式。通過調節寫入電壓的幅度與次數，可以控制浮動閘極中電荷的濃度，從而實現類比式的電阻態轉換，模擬神經突觸間的訊號傳遞，進行正電壓或負電壓的增強或減弱，模擬神經網絡訓練過程（如圖二）。 圖二：元件電流隨著輸入正負電壓輸入次數增加或減少，呈現出類比式的電阻態轉換。    　　為了降低製程成本並提升生產效率，本元件採用了大面積成長的二維材料進行轉移堆疊，並使用光罩微影技術製作金屬電極和元件通道。這種製程方式實現了快速且大規模的憶阻電晶體陣列製作，從單一的類神經突觸元件擴展至複雜的類神經網絡晶片。此外，雙寫入電極的設計（VBG和VDS）以及憶阻電晶體的操作模式，使元件在低電壓下依然能保持高開關比的讀取性能，避免讀取過程中對記憶狀態的干擾。 　　綜合以上特性，基於Gr/h-BN/MoS2凡德瓦異質結構的連續薄膜堆疊技術展現了優異的憶阻電晶體記憶性能，適合用於大面積製作，並實現高資訊儲存密度。這一技術展示了二維材料在類神經網路晶片中的應用潛力，有望克服傳統半導體材料在縮小尺度時面臨的瓶頸。   原文出處： Chien, S. P., Liang, B. W., Chang, W. H., Wang, B. W., Feng, Y. J., Chen, Y. C., & Lan, Y. W. (2023). Memtransistor-like operation of devices made by graphene/h-BN/MoS2 van der Waals heterostructure. Applied Physics Letters, 123(14), Article 142107. https://doi.org/10.1063/5.0165606