《AFM》：实现长时间多级存储，助力研制高密度数据处理系统

随着微电子技术的快速发展和以数据为中心的应用对功能器件的需求不断增加，缩小单个器件的特征尺寸或增加单个器件的功能是非常必要的，特别是对于中央处理单元、存储器、图像传感器以及神经形态器件。以物联网为基础的信息社会要求设备具有较高的扩展能力和丰富的功能。将二维半导体与功能铁电材料相结合的混合系统由于其优异的电学和光电性能，作为现有硅系统的补充器件正受到越来越多的关注。

来自新加坡国立大学的学者本文研究了Hf0.5Zr0.5O2铁电薄膜在退火过程中的界面态。利用铁电极化和电荷俘获行为的协同效应，本文展示了一种多功能的二维Fe-FET，它具有可靠的记忆特性、可调的突触功能和可在单个器件中重新配置的光检测行为。本文利用它实现了长时间的多级存储，成功地模拟了包括短期可塑性和长期可塑性在内的可塑性，良好的模拟突触行为也使其在人工神经网络模拟中的模式识别正确率达到81%。此外，本文还观察到了铁电偏振相关的光电响应，为光电逻辑器件的应用提供了广阔的前景。本文的研究结果为研制功能齐全的高密度数据处理系统奠定了基础。相关文章以“Multifunctional MoTe2 Fe-FET Enabled by Ferroelectric Polarization-Assisted Charge Trapping”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202110415

图1.a)2D MoTe2 Fe-FET器件原理图。b)用SS-PFM方法得到单点磁滞回线，红线表示幅值变化，黑线表示相位变化。(c)不同Vg扫描范围(±1~±3V)下器件的传输特性。磁滞回线的方向由箭头指示。

图2.a)器件在不同Vg扫频速率下的ISD-Vg曲线。b)在不同温度下测得的器件的ISD-Vg曲线。c)提取的存储窗口(阈值电压中的偏差)作为测量温度的函数。d)原始的和400°C退火的HZO薄膜的价带的UPS谱。e)Hf 4f和Zr 3d的XPS谱。

图3.a)HZO薄膜分别处于FRESH、PDOWN和PUP状态(Vg=0V)时获得的器件输出特性。b)在固定的Vsd=0.5V时，通过施加具有不同幅度的Vg脉冲来演变通道电流。c)器件的耐久特性。

图4.a)由一个具有不同脉冲宽度的突触前脉冲触发的人工突触的EPSC和b)IPSC。c)由不同脉冲幅度的突触前脉冲触发的人工突触的IPSC。d)人工突触的EPSC响应于多个突触前脉冲数。e)人工突触的IPSC对20个具有不同触发频率的突触前脉冲的响应。

图5.a)采用增量电压幅度方案的20(黑色)、50(红色)和80(蓝色)电压脉冲下的长期P-D特性。b)增强和抑制曲线的周期间变化(20个周期)。c)归一化装置在50次增压脉冲作用下的长期P-D特性，用实线表示fitting曲线，得到N值。d)人工神经网络示意图。

图6. HZO处于(a)Pdown状态和b)Pup状态时，MoTe2 Fe-FET在暗(黑色)和638 nm激光照射(红色)下的输出曲线。c)当HZO处于PUP状态(红色曲线)和Pdown状态(黑色曲线)，Vsd=0.5V时，MoTe2 Fe-FET在光照下的动态逻辑读取操作。

总之，在本文的2D MoTe2Fe-FET中观察到了反常的顺时针方向的磁滞，这归因于铁电极化和电荷俘获等协同效应，这一点通过不同的传输特性测量和不同的表征相结合得到了证实。基于该机制，实现了具有多种存储特性的可靠记忆性能、单设备级具有STP/LTP特性的人工突触功能和系统级模式识别仿真的多功能装置。此外，铁电偏振相关的光电流响应也使得这种Fe-FET在未来的非易失性光电存储中有很好的应用前景。这些发现表明，使用2D材料和基于铁电薄膜的混合系统开发高性能和功能性器件是一种很有前途的策略。（文：SSC）

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