MoS2/石墨烯浮栅晶体管面向非易失性存储器与高精度突触操作

《Advanced Electronic Materials》：MoS2/Graphene Floating-Gate Transistor Toward Non-Volatile Memory and High-Precision Synaptic Operations

　　

二硫化钼（MoS2）与石墨烯作为二维材料家族的重要成员，在增强非易失性存储器（NVM）应用中受到广泛关注。然而，MoS2/石墨烯浮栅结构的突触行为尚待全面验证。研究人员提出了一种面向逻辑开关、非易失性存储与神经形态应用的MoS2/石墨烯浮栅晶体管。石墨烯狄拉克源接触使器件实现25 mV/decade亚阈值斜率、稳定p型晶体管操作、1010高开关电流比及亚纳瓦级功耗。编程-擦除时间约11 ns，存储窗口5.9 V，外推10年保持率91%。通过增强-减弱（potentiation–depotentiation）、短时与长时可塑性及脉冲时序依赖可塑性（STDP）演示了突触功能，为下一代低功耗逻辑器件、可靠非易失性存储技术与神经形态计算系统提供平台。

研究背景方面，人工智能、神经形态计算与物联网应用对高密度、低能耗、高速非易失性存储器提出迫切需求。传统电荷型闪存技术在纳米尺度面临可扩展性差、操作电压高、编程擦除速度慢与耐久周期短等固有瓶颈。为突破硅基技术限制，二维材料因原子级厚度、高载流子迁移率与优异静电控制能力成为研究热点，其中过渡金属硫族化物半导体MoS₂与高导电柔性材料石墨烯构成的杂化异质结，在电荷俘获与浮栅非易失性存储器开发中展现潜力。典型石墨烯/MoS₂非易失性存储器由MoS₂沟道、隧穿氧化层与石墨烯浮栅/控制层组成，正/负控制栅偏压分别实现电子注入浮栅与电荷释放，产生高低电导双态。现有报道虽已展示陡亚阈值摆幅、大存储窗口与高保持特性，但该类结构的突触行为尚未被系统验证，且静电特性、电荷隧穿过程与神经形态属性的关联分析仍不充分。该研究在《Advanced Electronic Materials》发表，旨在基于仿真系统阐明MoS₂/石墨烯浮栅器件在逻辑、存储与突触多功能集成上的可行性。

关键技术方法上，研究人员采用SILVACO TCAD二维框架仿真，沟道载流子输运取漂移-扩散形式与费米-狄拉克统计，引入肖克利-里德-霍尔（SRH）复合描述陷阱辅助动力学，HfO₂隧穿氧化层电荷注入采用非局域直接隧穿与福勒-诺德海姆（FN）隧穿模型；源漏端依金（Au，功函数约5.1 eV）定义欧姆/肖特基接触边界；器件结构为p⁺⁺硅背栅、270 nm SiO₂、2 μm单层MoS₂沟道、6 nm HfO₂隧穿层、多层石墨烯浮栅、12 nm HfO₂阻挡层，栅极偏压方案沿用标准浮栅存储器编程（+6 V）/擦除（-6 V）协议，突触脉冲取±6 V、1 μs时序。

研究结果部分，3.1节基础晶体管特性表明，Au/石墨烯接触诱导能带对齐使本征n型MoS₂呈现p型响应，狄拉克源（Dirac-source）能谱过滤抑制热电子注入，获25 mV/decade亚阈值斜率、阈值电压约0.1 V、10¹⁰开关比、导通态功耗约280 pW；3.2节编程擦除机制中，+6 V控栅下电子经6 nm HfO₂以直接/FN隧穿入石墨烯浮栅，充电约10 ns，-6 V擦除放电约1 ns，等效速度约11 ns（~90 MHz）；3.3节存储窗口、开关与保持特性显示转移曲线窗口5.9 V，编程后阈值正移约+2.9 V、擦除后负移约-3 V，±6 V、1 μs脉冲十循环电流无退化，100 s瞬态拟合外推10年保持率多项式91%、线性97.4%；3.4节突触行为中，Δt=15 ms三脉冲呈短时可塑性（STP）快速弛豫，Δt=6 ms与4 ms分别出现弱与强长时可塑性（LTP），导通态±6 V脉冲诱发增强-减弱电导非线性饱和（~25 μS至~16.5 μS），STDP呈Δt>0长时增强、Δt<0长时抑制的指数不对称，单突触事件能耗约0.208 fJ（-6 V、1 μs、V_D=50 mV）。

讨论与结论部分，研究人员将本器件与已报道二维浮栅存储器对比，指出其在亚阈值斜率（25 mV/decade）、存储窗口（5.9 V）、开关比（10¹⁰）、外推保持（>10⁸ s量级）与单事件能耗（0.208 fJ）上具综合优势。结论确认该MoS₂/石墨烯浮栅晶体管同时实现稳定p型逻辑操作、亚纳瓦功耗、11 ns级编程擦除、5.9 V窗口、10年91%保持率，以及STP/LTP转变、增强-减弱与STDP等生物拟真突触规则，是面向低功耗逻辑、可靠非易失性存储与硬件级神经形态计算的候选多功能纳米平台。