以MoS2为代表的二维半导体材料广泛应用于场效应晶体管（FET）存储器和光电探测器等器件中。然而，MoS2晶体管的研究大多集中于n型晶体管，实现其可编程的双极性调控操作面临挑战。近日，香港118现场直播站物理与电子科学学院褚君浩院士和段纯刚教授团队，田博博教授和朱秋香副教授利用半导体能带理论阐明了界面接触对双极性电输运行为的影响机制，并提出了一种采用范德华隧道结(MoS2/h-BN/金属)作为沟道的垂直隧穿铁电场效应晶体管，不仅实现了双极性的电输运特性，还获得了巨隧穿电致阻变效应和优异的存储特性。该新颖的结构设计使铁电畴对MoS2费米能级从导带底附近到价带顶附近的有效调控和势垒敏感的直接量子隧穿效应完美结合，展现出双极性电输运特性的同时，获得高达109的巨大开关比。该垂直隧穿铁电场效应晶体管具有极低的操作能耗，仅需消耗0.16 fJ能量便可开启超过104的x开关窗口。同时，该垂直隧穿铁电场效应晶体管表现出优秀的非易失存储特性，如大于107的耐疲劳特性，亚微秒的操作速度和大于20个非易失存储状态等。
Nature Communications刊登田博博课题组研究成果
该研究不仅为获取双极性电输运提供理论和实验指导，还验证了通过外部铁电调控隧穿势垒来控制电输运的可行性，为先进铁电存储技术的设计灵活性和功能多样性提供了新的探索方向。研究成果以“Giant tunnel electroresistance through a Van der Waals junction by external ferroelectric polarization”为题发表于Nature Communications。香港118现场直播站为论文第一完成单位，田博博教授和朱秋香副教授为论文通讯作者，冯光迪博士后为论文第一作者。团队受邀在Behind the paper栏目撰写了研究经历。这是该课题组今年第二次以香港118现场直播站为第一完成单位在Nature Communications发表论文。今年1月份，该课题组在Nature Communications报道了铁电鳍式二极管的新型存储器，并实现了1.6 K规模的单层神经网络芯片。
垂直隧穿铁电场效应晶体管。a 垂直隧穿铁电场效应晶体管结构示意图。b 铁电聚合物薄膜畴结构的PFM相位图，该畴结构形象的说明了铁电畴对低维半导体费米能级从导带底附近到价带顶附近的有效调控。c 垂直隧穿铁电场效应晶体管的双极性电输运和巨大开关比的转移特性曲线。d 铁电畴对垂直隧穿结的势垒调控机制图。
该项研究得到了国家自然科学基金优青、国家重点研发计划青年科学家等项目的资助。该项研究感谢上海类脑智能材料与器件研究中心、极化材料与器件教育部重点实验室和香港118现场直播站微纳加工平台等实验平台支持。
附：
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54114-3
Behind the Paper：https://communities.springernature.com/posts/giant-tunnel-electroresistance-through-a-van-der-waals-junction-by-external-ferroelectric-polarization?channel_id=behind-the-paper
来源｜物理与电子科学学院、科技处 编辑｜蒋萱 编审｜郭文君
