以下文章来源于低维 昂维 ，作者低维 昂维
研究背景
为了打破所谓的“冯·诺依曼瓶颈”，人们正在探索内存和处理器的相邻或融合架构，例如存储器架构、近存储器计算和内存计算。内存计算类似于生物大脑，利用原位存储和计算来显著提高数据密集型和复杂逻辑应用的能量和处理效率。有几种类型的内存计算模型，例如基于电荷的、电阻开关的和基于隧穿的内存计算。在这些模型中，基于电荷的内存计算单元利用浮栅、界面电荷俘获和铁电极化切换来存储电荷，并结合半导体基晶体管来执行逻辑操作，与当前的CMOS工艺兼容，并受到了广泛关注。铁电是一种自发电极化现象，由于极化的非易失性、无损读出和快速信号切换，在内存计算中具有巨大的潜力。然而，随着器件尺寸的缩小，块材铁电材料的自发极化逐渐消失，极化束缚电荷的屏蔽不完全，表面重构不理想，远程库仑耦合减弱。2D材料具有原子级厚度和表面无悬键的特性，可以将铁电性保持到单层极限。此外，2D材料可以将沟道和栅极长度缩短到1 nm以下，这拓宽了其在未来电子产品中的应用前景。
成果介绍
有鉴于此，近日，中科院国家纳米科学中心谢黎明研究员和郑强研究员（共同通讯作者）等设计了一种基于范德华铁电半导体(InSe)的金属-氧化物-铁电半导体场效应晶体管(MOfeS-FET)。这种MOfeS-FET将存储和逻辑功能集成在同一材料中，利用InSe中的面外铁电极化进行数据存储，利用半导体特性进行逻辑计算。MOfeS-FET具有较长的保留时间，高开/关比(>106)，高编程/擦除(P/E)比(103)和稳定的循环耐久。此外，具有非易失性存储的反相器，可编程NAND和NOR布尔逻辑操作都已使用该方法进行了演示。这些发现突出了基于范德华铁电半导体的MOfeS-FET在内存计算中的潜力，以及它们实现超越摩尔定律的尺寸缩放潜力。文章以“Van der Waals Ferroelectric Semiconductor Field Effect Transistor for In-Memory Computing”为题发表在著名期刊ACS Nano上。
图文导读
图1. InSe薄膜的自发OOP极化。（a&e）室温下InSe薄膜中两个选定区域[110]投影的HAADF-STEM图像。（b，c，f，g）放大(15倍)的位移矢量和相应的Se原子位移模型。（d&h）Se的平均水平分量和平均垂直分量及幅度。
利用高角度环形暗场STEM(HAADF-STEM)成像探测了InSe中自发极化的起源。图1a和e显示了InSe晶体两个选定区域沿[110]的HAADF-STEM图像。定量分析表明，每层中的Se原子从对称位置发生了轻微的位移。详细地说，顶层的Se原子从最近邻In原子的三角形中心靠近左下，而底层的Se原子则远离左上In原子。横向和纵向Se位移分别在6~10 pm和3 pm左右(图1d)。图1e-h展示了另一个铁电极化相反的InSe区域。底层Se原子从最近邻In原子的三角形中心靠近左上，而顶层Se原子远离其左下In原子。总之，由Se位移引起的两种自发极化证实了InSe中的OOP铁电性。
图2. 2D InSe MOfeS-FET的示意图和结构表征。（a）InSe MOfeS-FET的示意图。（b）覆盖Pt保护层的InSe MOfeS-FET的高分辨横截面TEM图像。（c）HfO2/InSe异质结的放大视图和EDS元素成像。
从块材晶体中剥离InSe薄片，制备MOfeS-FET(图2a)。采用高介电常数HfO2作为栅极氧化物，减小了漏电，提高了沟道的静电调制性能。InSe MOfeS-FET的高分辨横截面TEM成像和EDS元素成像如图2b和c所示。背栅、HfO2、InSe和源-漏电极的层状结构清晰可见，厚度均匀，边界清晰，表明没有原子扩散或InSe破坏。
图3. 2D InSe MOfeS-FET的迟滞性质。（a&b）典型器件的光学图像和AFM形貌图。（c）器件在不同双向Vgs扫描下的转移曲线。（d）编程和擦除状态下InSe MOfeS-FET的转移曲线。（e）提取的存储窗口。（f）2D MOfeS-FET的泄漏曲线。（g&h）具有两个相反铁电极化的金属/HfO2/InSe异质结的能带图，对应于HRS态和LRS态。
典型InSe MOfeS-FET的电学性能如图3所示。根据光学和AFM图像(图3a和b)，沟道的长度和宽度分别为2.2 μm和5.0 μm。小Vds时的线性对称输出曲线表明了金属电极(Ti/Au)与InSe沟道之间的类欧姆接触。不同双向Vgs扫描下的转移曲线如图3c所示，表明2D MOfeS-FET具有顺时针迟滞存储窗口，具有n型半导体特性(开/关比106)。随着Vgs扫描范围增大，正向和反向扫描曲线向相反的方向移动，即存储窗口增大(对应于InSe中两个相反的OOP铁电极化)。扫描范围为4 V时，最大存储窗口为3.9 V(图3d和e)。随着Vds减小，编程电流和擦除电流减小，而开关比和转移曲线的形状保持不变。从重复性测试来看，MOfeS-FET表现出超低的周期间变化和较高的耐久性。此外，在±1.2 V附近Vgs处的两个漏电流峰值(图3f)显示了铁电极化的切换。整个扫描区域的漏电流低至2 pA，有利于长时间保留和无损存储性能。金属-HfO2-InSe异质结在向上和向下极化时的能带图如图3g和h所示。由于InSe的半导体和铁电性质，沟道中同时出现了移动电荷和自发电极化。当施加正栅极电压(高于矫顽力电压)时，自发电极化向上弯曲能带。结果，载流子(电子)耗尽，沟道处于高电阻状态(HRS)。当施加一个负栅电压(比矫顽力电压更负)时，自发电极化向下弯曲能带。因此，电子积累，沟道处于低电阻状态(LRS)。
图4. 2D InSe MOfeS-FET的非易失性存储。（a&b）在Vds为1 V时2D MOfeS-FET对±4 V Vgs脉冲响应的动态特性。（c）2D MOfeS-FET经过100次擦除(-4 V，1 s)和编程(4 V，1 s)后的耐久性能。（d）2D MOfeS-FET在编程和擦除状态下的保留特性。（e）用不同擦除脉冲测量的非易失性存储。（f）200 ns，2 μs和20 μs栅极脉冲宽度后的电流保留曲线。
接下来，测量了MOfeS-FET的动态特性。编程状态和擦除状态之间的切换是通过交替的正负Vgs脉冲实现的。如图4a和b所示，清洁最初处于大电流水平(10-9 A)，对应于LRS。在施加正电压脉冲(+4 V)来逆转铁电极化并耗尽移动载流子后，清洁切换到10-12 A的低电流HRS。循环栅极编程/擦除显示了LRS和HRS之间的稳定切换。P/E比在超过100次循环时未观察到明显退化，表明无疲劳特性(图4c)。Vgs脉冲后，漏极电流显示独立的编程(10-13至10-12 A)和擦除(10-8至10-9 A)状态(图4d)。在早期阶段观察到的快速保留损失是由于不完全的电荷补偿和载流子电荷俘获效应。两种不同的状态维持在104s以上，电流比高于103，证实了MOfeS-FET具有优异的非易失性存储性能。在图4e和f中，用亚μs脉冲测量MOfeS-FET的电阻切换。在每次擦除过程之前，器件通过正电压偏置(4 V，1 s)切换到编程状态。随着栅极电压脉冲缩短，电流逐渐下降，P/E比也从104下降到10。此外，在200 ns、2 μs和20 μs栅极脉冲宽度下的稳定和可区分状态表明，200 ns脉冲仍然可以将器件从HRS擦除到LRS。
图5. 基于2D InSe MOfeS-FET的的内存计算。（a）可编程反相器的示意图及其逻辑计算。（b）双输入NAND逻辑实现和NAND逻辑操作的原理图。（c）双输入NOR逻辑实现和NOR逻辑操作的原理图。（d）反相器、NAND和NOR逻辑的真值表。
最后，对基于InSe MOfeS-FET的内存计算进行了演示。利用一个InSe MOfeS-FET与一个偏置电阻串联构成了一个反相器。输入的正(负)Vgs脉冲分别定义为逻辑“0”(“1”)，有了输入信号，器件的状态可以被控制并保存为内存逻辑状态X。图5a显示了一个具有10 GΩ电阻的可编程反相器。使用+8 V Vgs脉冲，即输入逻辑“0”，将InSe MOfeS-FET编程到HRS中，并将状态保留在InSe沟道中。输出电压在MOfeS-FET和串联电阻的连接点读取，约为1 V(逻辑“1”)，逻辑“1”输入(即-8 V Vgs脉冲输入)反之亦然。这说明该器件既实现了逻辑反转，又可以存储最终结果。除了基于单一MOfeS-FET的反相逻辑外，复杂的NAND和NOR布尔逻辑运算已经在共轭MOfeS-FET电路中得到了证明。在NAND和NOR逻辑门(图5b和c)中，底部两个金属栅极作为输入信号IN1和IN2，电路的输出电压定义为逻辑输出信号。在两个金属栅极(IN-00)的+8 V电压脉冲情况下，两个器件都被编程到HRS。VDD为1 V时输出电压为~1 V，对应逻辑“1”，IN-00的处理结果通过原位存储器和处理系统存储。类似地，IN-01和IN-10也导致高输出电压(逻辑“1”)，并且运算结果存储在MOfeS-FET中。另一方面，IN-11(Vin1=Vin2=-8 V)测量到低输出电压值为0 V，对应于逻辑“0”。在并联MOfeS-FET结构中演示了NOR逻辑操作(图5c)。当负电压脉冲(IN-11、IN-10和IN-01)施加到栅极上时，器件切换到LRS，输出信号为逻辑“0”。当两个输入信号均为逻辑“0”(Vin1=Vin2=8 V)时，电路处于HRS中，输出为逻辑“1”。图5d总结了反相器、NAND和NOR布尔逻辑运算的真值表，显示了基本逻辑运算的成功实现以及结果的非易失性存储。与传统MOS基布尔逻辑运算相比，该InSe内存逻辑配置可显著减少晶体管数量，提高电路面积效率。
总结与展望
本文展示了一种基于范德华铁电半导体InSe的内存MOfeS-FET计算器件。利用2D InSe稳健的铁电性和优越的半导体特性，本文制作了一种简单的金属-氧化物-半导体器件结构，并集成了存储和逻辑功能。InSe MOfeS-FET具有较长的保留时间和无疲劳耐久性，这是由于2D InSe的铁电极化，以及由于2D InSe的半导体特性而导致的高开/关和P/E比。MOfeS-FET集成电路实现了非易失性反相逻辑运算、集成的NAND和NOR布尔逻辑运算，在内存计算系统的未来发展中显示出巨大的潜力。
文献信息
Van der Waals Ferroelectric Semiconductor Field Effect Transistor for In-Memory Computing
(ACS Nano, 2023, DOI:10.1021/acsnano.3c01198)
文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c01198
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