科学家提出构建可重构器件新方法兼具二极管功能和存储器功能
发表时间: 2024-01-23 20:11:25 作者: 常见问题
从 1999 读本科至今,物理和材料始终是刘锴身上如影随形的两个“标签”。自 2015 年入职清华大学担任副教授以来,他便始终致力于研究低维材料。
近日,他和团队基于双极性二碲化钼(MoTe2)二维半导体沟道材料,提出一种基于沟道梯度掺杂机制的二维可重构器件构建新方法。
采用这种办法能够控制沟道材料上的气体吸脱附,从而能在结构最简单的单栅极可重构器件上,实现丰富的可重构功能。
通过此,能解决二维可重构器件低结构复杂度、与丰富的可重构功能之间的矛盾难题。
同时,在结构复杂度不变的情况下,可以极大拓展器件的可重构功能,预计将在电子学领域产生重要影响。
同时,这将给其他可重构器件带来借鉴意义,并展示了通过与硅基芯片结合从而发展多功能芯片的潜力。
当前,集成电路的微缩化挑战正在持续不断的增加。而本次提出的基于梯度掺杂的可重构器件,让每个晶体管都拥有可重构的特性。
未来,假如使用这款可重构器件来制作集成电路,就有望实现高灵活性、高性能、多功能的新型芯片。
这样的芯片不仅能承担逻辑运算任务以及实时地存储计算结果,还能通过光来感知外界,同时也能模拟人脑的学习和遗忘等功能。
进一步地,通过先进的封装技术,可以把这类芯片与硅基芯片结合,充分的发挥各自的长处,为下一代计算架构提供坚实基础。
届时,这类芯片将有希望在诸如人工智能、物联网和可穿戴器件等领域发挥关键作用。
自从集成电路发明以来,信息技术的发展主要依赖于集成电路上晶体管的尺寸不断缩小。但是,如今晶体管的尺寸已经接近物理极限,继续微缩化变得愈发困难。
于是,人们开始研究一类特殊的半导体器件——可重构晶体管。可重构晶体管的特点是:在单个晶体管上能轻松实现多种电学功能,并能在这些功能之间切换。
如果集成电路上的每个晶体管都拥有这样的可重构能力,那么整个电路的功能就能得到极大扩展,从而在无需继续微缩晶体管尺寸的前提下,逐步提升电路的有效集成度。
但是,目前主流的集成电路是以硅为基础的,而单个硅基晶体管没办法实现上述可重构能力。
尽管通过附加电路和外加的存储单元,有一些硅基芯片能在芯片层级实现可重构性。但是,这些外加的电路和单元又会导致系统复杂度和制作成本的上升。
多年来,围绕以过渡金属硫族化物(TMDCs,transition metal dichalcogenides)为代表的二维半导体材料,刘锴课题组开展了多项研究。
这是一类拥有天然超薄层状结构的材料,它们具备优秀能力的电学性能,还能够被有效地调控。
但是,要想构建二维的可重构器件,就要对二维半导体沟道材料来可逆的掺杂。如果要逐步实现更多的可重构功能,还需要对可逆掺杂的位置,进行局域化和精细化的调控。
之前,已有其他科研团队报道过二维可重构器件。在这些成果之中,相关学者采用了不同的可逆掺杂方法。其中,栅极调控是被用于调控掺杂的最常见手段。
据了解,单栅极可重构器件是一种最简单的可重构器件,这类器件通过单个栅极控制整个或部分沟道的掺杂。虽然结构最简单,但是只能实现两种或三种的可重构功能。
想要实现更多的功能,就需要构建更多的栅极,从而让每个栅极分别调控一部分沟道。尽管多栅极可重构器件能轻松实现三种以上的可重构功能,但是多个栅极会导致器件的结构复杂度提升。
另一种增加可重构功能的思路是引入其他异质材料,但这同样会导致器件变得复杂。
总的来说,在二维可重构器件上,硅基可重构器件面临的困境又出现:即为实现更多的功能,不可避免地要增加系统复杂性和制造成本。
激光直写,是一种通过激光照射到物质上产生的光热效应,利用局域化加热沟道,以此来实现沟道性质调控的方法。一开始,他们计划使用激光直写技术,在二碲化钼沟道上制作器件。
此前,该团队在激光直写二维材料和器件上,积累了不少研究成果。然而,在开展本次课题的过程中,他们遇到了一些技术难题。
于是他们改变思路尝试使用焦耳热,代替激光热效应的调控沟道。之所以这样做是因为,预计焦耳热会更稳定、更快速。
关于此刘锴表示:“我们最开始的想法也最简单,没考虑太多半导体物理上的机制。焦耳热的引入方法是通过输入较大的源漏电压,根据最直观的欧姆定律图像,源漏电压会引入电流,而这种电流是随电压线性增长的。”
但是在实际过程中,他们发现实验现象和原始预期存在比较大偏差:即电流增长不仅不符合线性规律,而且会随时间快速衰退。
针对这一非正常现象,通过长时间的实验和分析,他们发现了两个被忽略的因素:第一,大源漏栅压会引入大的有效栅压;第二,有效栅压会导致二碲化钼吸附空气里的水氧分子。
又经过一段时间的探索,课题组发现这两个被忽略的负面因素可以“化敌为友”。即利用有效栅压和气体吸附,就可以直接构建 np 结和 pn 结这两种二极管。
随后,他们开始转换实验目标:先是验证了构建二极管的可能性,实现了高性能的二极管。
而在发现气体吸脱附的影响之后,他们仅用一两个月就在器件上验证了本次构想,并成功获得高质量的二极管数据。然而,在北京干燥的冬季里,这款器件很快就被静电“打坏”。
在随后四五个月里,课题组一口气制备几十款器件来重复前面的结果。刘锴说:“重复实验常常让人十分煎熬,我们都希望可以重复之前的结果,甚至获得更高质量的数据,但是却常常不如人意。”
经过漫长的重复实验之后,在一个原本没有抱太大希望的样品上,之前的现象终于得到重复。
而在后续实验之中他们开始逐渐掌握实验规律,通过总结本次器件的构建思路,凝练出了梯度掺杂方法。
基于新的数据和经验,梯度掺杂机制也得到加强完善,并能被拓展到更多功能之上。由于有了新的实验经验,后续的重复实验也变得愈发容易。
通过此,在同一款结构器件上他们把梯度掺杂用来构建存储器、神经形态器件、逻辑存储器,借此造出了这款功能丰富的可重构器件。
而本次器件之所以能在多种可重构功能之间连续切换,并能在经过 100 次的重构后依然保持稳定性很高,是因为可重构碲化钼器件是基于气体吸脱附掺杂打造而来。气体吸脱附本身就具有高度的可逆性,而梯度掺杂方法拥有较高的灵活性。
通过引入具有不一样梯度的有效栅极电压,可以在同一个器件上引发不同的气体吸脱附状态,从而引入不同的沟道梯度掺杂分布,借此让器件具备切换到多种可重构功能。这时,通过连续施加不同的重构电压,就能在不同功能之间连续切换。
实现重构稳定性的重点是,在气体吸脱附这一反复进行的过程中,沟道始终能够保持稳定。
其二,由于选择使用厚度在 2-11nm 的少层碲化钼材料,而非采用单层材料,因此少层材料的稳定性比单层更好;
其三,梯度掺杂方法采用的电压比较小,不会导致沟道材料出现显著热效应,从而避免沟道材料产生不可逆的热氧化反应。
刘锴表示:“这个工作带给我们最深的感触就是,当一个工作的初始思路面临困境时,一定要深挖其中的原理,及时作出调整研究方向和内容。而一旦找准努力目标就要精心打磨。”
与此同时,同期 Nature Electronics 还发表了评论文章[3],着重介绍了本次器件的高性能和高可重构能力。
接下来,刘锴和团队将延续梯度掺杂的思路,探索其他结构和机理的可重构器件,力图提升可重构器件的各项性能,扩展器件的其他可重构功能。同时还将探索可重构器件的阵列化应用,进一步展示梯度掺杂方法的潜力与前景。