超薄二維材料鐵電記憶體
115年09月10日
【封面圖說：雙層硫化鉬原子和硫原子排列的實驗觀察圖（TEM images）。】 【本篇報導由物理學系 藍彥文教授研究團隊提供】 為了開發低功耗、非揮發性的「記憶運算（computing-in-memory）」元件，利用鐵電電晶體技術的關鍵在於找到可縮放厚度的鐵電通道材料。具有滑移鐵電性（sliding ferroelectricity）的二維半導體，例如二硫化鉬（MoS₂），被視為一種有潛力的解決方案。然而，在外延成長的 MoS₂ 中實現可切換的電極化仍面臨挑戰，主要原因是缺乏可移動的鐵電疇界。 本研究展示了極性可切換的外延菱面體堆疊（rhombohedral-stacked, 3R）MoS₂ 可作為鐵電記憶電晶體中的鐵電通道材料。研究團隊發現，在 3R-MoS₂ 外延層中可自發發生剪切轉變（shear transformation），形成一種異質結構，其中穩定的鐵電疇嵌入於高度位錯且非鐵電的基質中。這種無擴散相變化（diffusionless phase transformation）過程會產生可移動的螺位錯（screw dislocations），使得可藉由外加電場對 3R-MoS₂ 的極性進行整體控制。 極化–電場量測結果顯示，經剪切轉變後的 3R-MoS₂ 具有 0.036 V/nm 的切換電場。利用此機制所製作的滑移鐵電電晶體僅有兩個原子層厚，具備非揮發性記憶特性，在施加10 V的操作電壓下可產生約7 V的記憶視窗（memory window），其資料保持時間超過 10⁴ 秒，循環壽命亦超過 10⁴ 次。 近年來，隨著人工智慧與物聯網的快速發展，傳統的馮紐曼運算架構逐漸面臨瓶頸，特別是在高耗能與資料傳輸延遲方面的挑戰。為了實現新一代低功耗、高整合度且具備非揮發特性的運算平台，「記憶運算」（computing-in-memory, CIM）架構被視為極具潛力的替代方案。在此類元件中，鐵電電晶體（ferroelectric transistor）因能夠同時具備邏輯與記憶功能，並透過電極化狀態的切換來儲存資訊，而成為研究的重點。然而，傳統鐵電材料多為體材料或厚膜，其臨界厚度效應限制了進一步微縮與低功耗化的實現，因此開發具有原子層厚度、可維持穩定極化的鐵電通道材料成為當前關鍵課題。 二維過渡金屬二硫族化物（transition metal dichalcogenides, TMDs）因其層狀結構與可控堆疊方式，提供了探索低維鐵電現象的新平台。其中，二硫化鉬（molybdenum disulfide, MoS₂）在電子與光電元件領域中表現突出。特別是當其晶體結構採用菱面體堆疊（rhombohedral stacking, 3R）時，因層間相對滑移可導致偶極矩反轉，產生所謂的「滑移鐵電性」（sliding ferroelectricity）。這種新型鐵電機制不依賴傳統疇界運動，而是透過層間原子層滑移來改變極化方向，理論上可在極薄結構中保持穩定且可切換的極化。然而，在外延成長的 MoS₂ 薄膜中，因缺乏可移動的疇界與缺陷調控機制，實驗上實現可逆極化切換仍具挑戰。 本研究首次展示了極性可切換的外延菱面體堆疊（3R）MoS₂ 可作為鐵電記憶電晶體的通道材料。研究發現，在 3R-MoS₂ 外延層中可自發產生一種「剪切轉變」（shear transformation），該轉變屬於無擴散型相變（diffusionless phase transformation）過程，會形成穩定鐵電疇與高度位錯的非鐵電基質共存的異質結構。這一過程同時產生可移動的螺位錯（screw dislocations），為極化切換提供必要的動力學通道，使得外加電場能夠有效調控 3R-MoS₂ 的極性方向。 透過極化–電場（P–E）特性測量，研究團隊觀察到經剪切轉變後的 3R-MoS₂ 具有 0.036 V/nm 的低切換電場，顯示其在原子尺度下即可實現高效率的極化反轉。基於此機制所製作的滑移鐵電電晶體僅有兩個原子層厚，展現出穩定的非揮發性記憶效應。在施加 10 V 操作電壓下，其記憶視窗（memory window）約為 7 V，資料保持時間超過 10⁴ 秒，循環壽命亦超過 10⁴ 次，顯示出極高的穩定性與重複性。 本研究不僅提供了實現原子級鐵電通道的新路徑，也揭示了剪切轉變與位錯動力學在二維鐵電材料中的關鍵角色。可切換極化的 3R-MoS₂ 不僅對於低功耗非揮發性記憶體具有應用潛力，也為二維材料中的滑移鐵電性研究奠定了重要基礎。未來可望藉由應變工程或外加電場設計進一步調控其極化行為，推動超薄鐵電元件與新型量子記憶架構的發展。 原文出處：Yang, T.H., Liang, BW., Hu, HC. et al. Ferroelectric transistors based on shear-transformation-mediated rhombohedral-stacked molybdenum disulfide. Nat Electron 7, 29–38 (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-023-01073-0