清华新闻网5月13日电 近日，清华大学材料学院刘锴教授团队提出了一种全固态铁电梯度掺杂（Ferroelectric-Graded-Doping, FeGD）策略，将铁电层P（VDF-TrFE）与二维双极性半导体MoTe2沟道结合，利用有效栅压调节铁电极化的梯度分布，在简单的单栅极器件结构中实现了非易失存储、人工突触和存内逻辑等12种可重构功能，为后摩尔时代高集成、多功能、低复杂度可重构电子器件提供了新的实现路径。
随着集成电路特征尺寸的持续微缩，传统硅基场效应晶体管面临短沟道效应等瓶颈。可重构器件由于能够在同一器件中动态切换不同功能，被认为是提升芯片集成度、降低系统复杂度和拓展器件功能的重要方向。二维半导体材料具有原子级厚度、强栅控能力和界面可调性，是构筑可重构器件的理想材料。然而，如何在简单器件结构中实现丰富、稳定且快速的可重构功能，仍是该领域面临的重要挑战。
针对上述关键问题，研究团队曾于2023年在《自然·电子学》（Nature Electronics）上报道了一种有效栅压编程的梯度掺杂（effective-gate-voltage-programmed graded-doping, EGV-pGD）策略。该策略利用MoTe2表面水/氧气体分子的可逆吸附与脱附，实现了单栅极二维MoTe2器件的多功能重构。在前期工作的基础上，研究团队进一步面向器件集成可靠性和实用化需求，在新工作中利用固态的铁电层取代水/氧气体分子作用，摆脱了对气体吸脱附机制的依赖，开发了结构简单、功能更丰富的单栅极全固态MoTe2铁电可重构器件（图1a）。研究团队通过构筑MoTe2/P（VDF-TrFE）异质结构，利用有效栅压调控P（VDF-TrFE）铁电层极化状态，实现对MoTe2沟道载流子类型和浓度的非易失调控（图1b）。当漏极或源极电压与顶栅电压相当时，沟道局域电势沿长度方向发生变化，从而诱导空间非均匀的有效栅压分布，并进一步形成梯度铁电极化，实现对MoTe2沟道的梯度掺杂（图1c）。
图1.铁电梯度掺杂可重构器件的示意图与工作原理
基于FeGD策略，该器件具有非易失存储、人工突触、多种存内逻辑等多种可重构功能（图1d）。相比于依赖气体吸脱附的前期器件，全固态铁电可重构器件具有更快的重构速度、更强的状态保持能力和更好的集成可扩展性（图1e）。该器件集成了多达12种可重构功能，可重构能力达到了二维可重构器件领域的最高水平（图1f）。
在非易失存储功能方面，该器件表现出超过106的开关比，保持时间可外推至十年，并可实现8个稳定电流态，对应3-bit多级存储能力。得益于铁电极化的快速翻转特性，器件重构速度小于1ms；在特定电压脉冲条件下，该器件从高阻态到低阻态的切换时间小于0.1ms，明显优于依赖气体吸脱附动力学过程的二维可重构器件。
在人工突触功能方面，FeGD器件能够模拟生物异突触中的多种关键可塑性行为。研究团队将漏极和源极分别定义为突触前端和突触后端，将沟道电导定义为突触权重，将顶栅作为调制端，实现了同突触可塑性、异突触稳态调控以及异突触元可塑性等功能。这表明铁电梯度掺杂不仅可以用于存储与逻辑，还可为类脑计算和神经形态器件提供一种全固态、可调控的器件平台。
在存内逻辑功能方面，研究团队利用漏极、源极和顶栅之间的有效电压耦合关系，在单个器件中实现了NAND、AND、OR、NOR等基本布尔逻辑，以及IMP、RIMP、NIMP、RNIMP等更复杂的蕴含逻辑操作。器件在执行逻辑运算的同时，可将计算结果存储于铁电极化调控的沟道电导状态中，从而为突破冯·诺依曼架构下存储与计算分离带来的数据搬运瓶颈提供了新的器件级解决方案。
研究成果以“全固态铁电梯度掺杂可重构MoTe2器件”（All-Solid-State, Ferroelectric-Graded-Doping Reconfigurable Molybdenum Ditelluride Devices）为题，于5月9日发表于《先进材料》（Advanced Materials）。
清华大学材料学院2024届博士毕业生彭瑞轩、2024级博士生陈嘉远、2025届博士毕业生赵铂琛为论文共同第一作者，材料学院教授刘锴为论文通讯作者。其他重要合作者包括清华大学材料学院教授沈洋、副教授马静等。
研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金基础科学中心项目、国家自然科学基金项目、北京市自然科学基金项目等的资助。
论文链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73338
供稿：材料学院
编辑：李华山
审核：郭玲
