四川师范接文静&香港理工郝建华Nano Energy：基于二维层状硒化镓纳米片的三端子记忆晶体管用于潜在的低功耗电子应用

【研究背景】

由于低功耗，高速度和优越的可扩展性，忆阻器在非易失性存储器、逻辑器件和计算中的广泛应用。它通常是具有金属/电阻切换（RS）层/金属的夹层结构的双端子装置。据报道，大量的绝缘和半导体材料可用作RS材料，目前也有许多策略已被用于调整或改善RS行为，例如掺杂，结构优化，电极和界面工程，以及测量条件等。最近，石墨烯和其他2D层状材料也被认为是制造忆阻器的有希望的候选者。石墨烯可用作电极或电极与电介质之间的界面层，以阻止原子扩散并限制导电细丝的数量。此外，已经报道了一系列2D材料中的各种RS行为，包括氧化石墨烯，过渡金属二硫化物（TMD），六方氮化硼和黑磷。除了TMD之外，2D层状III-VI半导体材料由于其较好的电学和光学性质而备受关注。其中，硒化镓（GaSe）是p型半导体，其间接带隙大约为2.0 eV，直接带隙不小于25 meV。在其2D形式中，GaSe预期具有优异的光学和电学性质，表明在非线性光学，太赫兹生成和光电子学中有希望的应用。然而，到目前为止，在忆阻器或记忆电阻器中尚未报道使用2D分层GaSe。

【成果简介】

近日，四川师范大学接文静副教授联合香港理工大学郝建华教授将忆阻器和场效应晶体管(FET)的概念与二维(2D)层状材料作为有源半导体层相结合，提出了一种多端子混合系统——忆阻管和场效应晶体管(FET)。在忆阻器中，栅极电压不仅能够调制制造的FET的传输特性，还可以调制忆阻管的电阻开关(RS)行为。在此，作者采用机械剥离的二维层状GaSe纳米片制备了基于GaSe的三端子记忆晶体管。以Ag为电极的忆阻器具有非易失的双极RS特性。后续实验表明，在空气暴露一周后，RS行为显著增强的开/关比率达到5.3×10⁵，同时超低阈值电场为~3.3×10² Vcm^-1，猜想基于GaSe的忆阻器的超低阈值电场可能与p型GaSe中的本征Ga空位的低迁移能量有关。此外，基于GaSe的忆阻器同时显示出长期保留（~10⁴ s）和高循环耐久性（~5000次循环）。因此，所制备的三端二维GaSe记忆晶体管具有大开关比、超低阈值电场、良好的耐久性和长期保持性等优点。该器件还显示了RS特性中的栅极可调性，在非易失性存储器、逻辑器件和神经形态计算等低功耗、功能复杂的多终端电子器件中具有广阔的应用前景。该成果近日以题为“Three-Terminal Memtransistors Based on TwoDimensional Layered Gallium Selenide Nanosheets for Potential Low-Power Electronics Applications”发表在知名期刊Nano Energy上。

【图文导读】

图一：示意图及理化表征

(a) 基于GaSe的具有FET结构的二维忆阻器原理图；
(b) GaSe原子结构示意图；
(c) GaSe纳米薄片脱落后的AFM图像；
(d) SiO2基底负载GaSe的拉曼光谱。

图二：基于GaSe的忆阻器的电阻开关行为

（a）2V工作电压下Ag/GaSe/Ag忆阻器的I-V特征曲线；
（b）Ag/GaSe/Ag忆阻器的50个实验开关回路；
（c）（a）中I-V曲线的正压部分以双对数坐标和log（I）-log（V）曲线的线性拟合重新绘制；
（d）Ag/GaSe金属-半导体结的能带图。

图三：基于GaSe的忆阻器一周后的电阻开关行为

（a）2V工作电压下GaSe忆阻器的I-V特征曲线；
（b）GaSe忆阻器的50个实验开关回路；
（c）（a）中I-V曲线的正压部分以双对数坐标和log（I）-log（V）曲线的线性拟合重新绘制；
（d）制造的2D基于GaSe的FET和在空气中暴露一周的器件的传输特性。

图四：GaSe忆阻器RS机制的原理图

（a）Vds=0的初始状态；
（b）Ga空位导电丝的成核和生长；
（c）具有连接源极和漏极的灯丝的LRS；
（d）具有断丝的HRS。

图五：耐久性测试

（a）用电压脉冲测量的Ag/GaSe/Ag忆阻器的开关周期。
（b）存储器的开关耐久性。

图六：开关行为

(a) Ag/GaSe/Ag忆阻器的栅极可调电阻开关行为；
(b) 基于GaSe的FET在LRS和HRS的传输特性。

【小结】

作者通过结合忆阻器和FET的器件，成功地展示了基于机械剥离的2D分层GaSe纳米片的三端子记忆晶体管。该工作可以扩大RS系列材料，并显示以前没有解决过的更多新特性。基于GaSe的忆阻器表现出非易失性双极RS行为。暴露于空气中一周后，RS行为显著增强，ON/OFF比率达到5.3×10⁵，超低设定和复位电场为~3.3×10² V·cm^-1。基于GaSe的忆阻器的超低ESET可能与p型GaSe中的固有Ga空位的低迁移能量有关，这暗示了在低功率非易失性存储器中应用的潜能。此外，Vg不仅可以调节基于GaSe的FET的传输特性，还可以调节基于GaSe的忆阻器中的VSET和VRESET，这表明可以应用在低功耗和复杂功能的多端子电子器件。

文献链接：Three-Terminal Memtransistors Based on Two-Dimensional Layered Gallium Selenide Nanosheets for Potential Low-Power Electronics Applications (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.12.057)

本文由材料人电子组大兵哥供稿，材料牛整理编辑。

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu