复旦大学微电子学院周鹏团队与北邮合作揭示铁电晶体管中极化电导机制

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层状铁电半导体兼备原子级超薄与铁电性,为小尺寸逻辑和非易失性存储在存内计算技术中应用提供了理想路径。然而,由于铁电沟道场效应晶体管(FeCFETs)中存在铁电极子与电子重构耦合,无法继续沿用传统器件物理原理,使得FeCFETs中极化相关的电导调控机制变得难以精确控制。因此要实现高性能层状铁电半导体的先进逻辑和存储器件,就必须厘清铁电沟道极化与电导性物理关系这一根本问题。

针对此领域挑战难题,复旦大学微电子学院周鹏/王水源团队与北京邮电大学屈贺如歌副教授合作,将态密度泛函理论计算、量子输运模拟与实验论证相结合,首次揭示了FeCFETs极化依赖的本征效应与外场优势机制。11月30日,相关成果以“Asymmetric conducting route and potential redistribution determine the polarization-dependent conductivity in layered ferroelectrics”为题发表于《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)。

由本征斯塔克效应(内建电场)导致的非对称导电通路与栅极外场诱导的电势竞争形成的重分布决定了电子行为。研究验证,该机制在广泛的层状铁电体家族中的普适性。基于全新认知图谱,团队设计了通过控制导电沟道位置和氧化物厚度来精确控制双栅FeCFETs电导阈值的策略,并在不引入额外的浮栅堆栈或物理场前提下,实现了多种可以按照需求无需外部电场而自行切换的存内(逻辑)计算(computing in memory)功能。基于FeCFETs的自切换存内逻辑显著提高了电路灵活性,降低了硬件设计成本,这在数字信号处理、自适应控制、机器视觉和人工智能等领域尤为重要。

微电子学院教授周鹏、博士后王水源、北京邮电大学屈贺如歌为共同通讯作者,王水源、屈贺如歌和博士生邸紫烨为共同第一作者。本工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、信息光子学与光通信国家重点实验室、上海市科委、教委、教育部创新平台、中国博士后科学基金等项目的大力支持。

图. 层状铁电半导体极化依赖电导决定机制与自切换存内逻辑电路实现

责编: 爱集微
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