基于单壁碳纳米管/铝钪氮铁电晶体管的可重构器件与三元内容寻址存储器研究

本研究针对传统硅基CMOS技术面临的尺寸缩放和功耗挑战，通过集成高取向单壁碳纳米管(SWCNT)通道与铁电铝钪氮(AlScN)栅介质，开发出可动态切换p/n极性的可重构场效应晶体管(FeFET)。该器件在3V漏极电压下实现-270 μA μm-1的平衡导通电流、>105的开关比及0.26 Vnm-1记忆窗口，并首次以单个器件实现三元内容寻址存储器(TCAM)，较传统硅基方案减少90%组件。

　　

随着人工智能和物联网的快速发展，数据爆炸式增长对高容量信息处理提出严峻挑战。传统硅基互补金属氧化物半导体(CMOS)技术面临双重困境：场效应晶体管(FET)尺寸微缩受短沟道效应限制，而工作电压降低又遭遇玻尔兹曼极限的物理壁垒。这些限制不仅阻碍器件密度提升，还导致严重的功耗问题。在此背景下，可重构器件因其能在制造后灵活配置电路功能而备受关注，但现有技术依赖硅纳米线通道，存在制备工艺复杂、载流子迁移率不平衡等瓶颈。

为解决这些问题，美国宾夕法尼亚大学Singh纳米技术中心的研究团队创新性地将高纯度半导体型单壁碳纳米管(SWCNT)与高剩余极化强度的铝钪氮(Al_0.68Sc_0.32N)铁电材料结合，开发出具有三重功能的新型器件。该研究通过精确控制SWCNT取向排列和金属-半导体接触界面工程，首次实现p型/n型可切换FeFET与非易失性存储器(NVM)的集成，并基于此构建了超紧凑三元内容寻址存储器(TCAM)单元。相关成果发表于《Nature Communications》。

研究采用四项关键技术：(1)溶液法组装高度取向的SWCNT单层膜；(2)脉冲直流溅射生长(111)取向的AlScN铁电薄膜；(3)铬(Cr)接触电极工程实现平衡的双极性传输；(4)栅极电压脉冲调控铁电极化方向。通过厘米级阵列制备和电学表征，系统评估了器件的记忆窗口、保持特性和重构稳定性。

可重构碳纳米管铁电晶体管

研究团队设计背栅FET结构，以1.5nm直径的SWCNT单层为通道，45nm AlScN为栅介质。角度分辨拉曼光谱显示SWCNT取向度达97.4%，为高迁移率提供保障。通过选用不同功函数金属接触：金(Au)和钯(Pd)实现p型操作，铬(Cr)接触则展现独特的双极性特性，在±15V栅压扫描下分别获得11.9V和3.5V的记忆窗口。

存储器行为表征

Cr接触器件在空穴和电子传导区均表现出铁电主导的滞后回线，导通电流密度在3V漏压下达-270 μA μm^-1。器件阵列展示优异的均一性，16个器件的阈值电压标准差仅0.5V。非易失性测试显示，高低阻态电流比(I_LRS/I_HRS)在5×10⁴秒后仍保持>3×10²，85℃高温下可持续9小时。

p/n型晶体管重构

通过±18V/80ms栅压脉冲设置极化方向，在低于矫顽电压范围内实现p型与n型FET的可逆切换。100次重构循环中，开关比始终>2.5×10³，满足数字电路要求。相较金属/AlScN/金属电容的11,800次耐久性，器件寿命受限于SWCNT/AlScN界面特性。

单器件TCAM实现

电路仿真证实，单个双极性FeFET即可实现传统需10个晶体管的TCAM功能。通过将阈值电压左移、右移状态分别定义为"0"、"1"态，中间态为"无关"态，在1pF预充电容和1μs放电时间下实现清晰的状态区分。

该研究突破性地将SWCNT的平衡双极性传输特性与AlScN的高极化强度(>100 μC cm^-2)相结合，首次实现三功能集成的纳米电子器件。相比二维材料MoTe₂等存在的载流子迁移率不对称问题，SWCNT通道使电子/空穴电流比接近1:1。通过铁电极化非易失调控，既避免传统可重构器件需持续偏置的缺点，又将TCAM组件减少90%，为后摩尔时代的高密度、低功耗集成电路提供新范式。未来通过减薄AlScN厚度(可至5nm)和提高钪掺杂浓度(达39%)，有望进一步降低操作电压和能耗。