Ученые из Института полупроводников Китайской академии наук совместно с другими исследовательскими учреждениями разработали скользящий сегнетоэлектрический туннельный переход. Этот переход обеспечивает высокое отношение туннельного электросопротивления при сохранении сверхвысокой долговечности. Результаты этой работы опубликованы в журнале Science.
Данное исследование направлено на создание энергонезависимой памяти и массивов вычислений в памяти, где контрастность считывания и надежность циклической работы часто находятся в противоречии при использовании компактных двухконтактных ячеек.
Двумерные скользящие сегнетоэлектрики, такие как 3R-MoS2 и 1T′-ReS2, переключают поляризацию посредством скольжения между слоями, а не за счет смещения ионов. Это позволяет избежать накопления дефектов, которое ограничивает традиционные оксидные сегнетоэлектрики, и поддерживает срок службы, превышающий $10^{11}$ циклов.
Однако остаточная поляризация этих материалов на два-три порядка слабее, чем у оксидных аналогов. Из-за этого двухконтактные устройства зачастую не могут обеспечить сильное электрическое считывание без применения агрессивных полей, что сокращает срок службы устройства.
Команда применила методы инженерии гетероструктур ван дер Ваальса, чтобы сложить слои Cr / h-BN / 3R-MoS2 / монослой графена, а затем расширила эту структуру до 1T′-ReS2. Гексагональный нитрид бора служит равномерным туннельным барьером с низким уровнем утечки, а скользящий сегнетоэлектрик создает устойчивый встроенный потенциал, который модулирует высоту барьера. Низкая плотность состояний и слабое экранирование графена позволяют поляризации управлять плотностью носителей заряда, участвующих в туннелировании.
Этот двойной механизм преобразует слабую остаточную поляризацию в значительный контраст сопротивления без ущерба для преимущества скользящего переключения в отношении усталости. При напряжении считывания 0,5 В устройство достигло отношения туннельного электросопротивления $1.9 imes 10^7$, что более чем на четыре порядка выше, чем у предыдущих скользящих сегнетоэлектрических переходов. При этом оно обеспечило плотность тока в рабочем состоянии $222 ext{ А/см}^2$ и долговечность, превышающую $10^{11}$ переключений.
Надежное переключение поддерживалось при импульсах продолжительностью до 13 наносекунд при энергопотреблении $6.5 ext{ фДж/бит}$. Массив размером $8 imes 8$ продемонстрировал стабильное бистабильное энергонезависимое поведение во всех 64 ячейках, что подчеркивает потенциал для интеграции в плотные накопители и схемы вычислений в памяти типа кроссбар.