9月15日，中国科学院半导体研究所与香港大学的科研团队合作，成功研制出一种新颖的铁电隧穿结。这种新型器件融合了氮化硼、二维滑移铁电材料以及单层石墨烯三种关键功能层，可以将微小的极化变化转化为显著的电阻差，从而破解了该领域内长期存在的大电阻差与高耐反复读写之间的矛盾。实验显示，该器件在0.5伏的读取电压下，电阻开关比达到1.9×10^7（1900万），且可以承受超过1000亿次的切换，开态电流密度高达每平方厘米222安培，并能在13纳秒短脉冲下可靠切换，这为开发更省电、更耐用的存储和计算结合芯片提供了新的思路。
铁电隧穿结的主要原理是通过铁电极化的翻转来调控隧穿电流，从而在紧凑的两端结构中实现信息的非易失写入与非破坏性读取。然而，以往的器件设计难以兼顾高隧穿电阻比和循环耐久性。新的二维滑移铁电材料，例如3R-MoS2和1T′-ReS2，利用层间相对滑移实现极化翻转，避免了传统材料中的离子迁移和缺陷累积，表现出超过10^11次的抗疲劳能力，但其剩余极化强度较低，难以满足器件的需求。
本次研究中，科研团队通过二维范德华异质结界面工程，构建了Cr/h-BN/3R-MoS2/单层石墨烯的滑移铁电隧穿结，并将结构拓展至1T′-ReS2。h-BN作为独立的隧穿势垒层，确保器件稳定开关；而3R-MoS2（或1T′-ReS2）提供耐疲劳的滑移极化和内建电势差，帮助调控隧穿势垒；单层石墨烯则作为电极，优化极化与载流子浓度的关系。通过精确调控，器件实现了极高的电阻读出对比度。 千亿球友会
该器件在0.5伏读取电压下实现了高达1.9×10^7的隧穿电阻比，较此前的滑移铁电隧穿结提升了4个数量级，并且具有222 A/cm²的开态电流密度和超过10^11次的开关耐久性。在脉宽仅为13纳秒的情况下仍能实现可靠的切换，显示出只需6.5 fJ/bit的开关能耗。此外，团队还成功制作了8×8的器件阵列，所有单元均展现出稳定的非易失开关特性，显示出高集成度的潜力。
这一研究在简化的两端结构中成功实现了非易失读出窗口、超高耐久性、快速切换和低能耗，突破了铁电隧穿结中读出对比度与耐久性之间的制约，为高密度、高可靠性的非易失存储及交叉阵列计算设备提供了新的设计路线。该成果的研究论文在《科学》期刊上发表，科研团队包括了多位杰出的研究人员，同时得到了多个研究资金的支持。
留言框-
