四川師范接文靜&香港理工郝建華Nano Energy：基于二維層狀硒化鎵納米片的三端子記憶晶體管用于潛在的低功耗電子應用

【研究背景】

由于低功耗，高速度和優越的可擴展性，憶阻器在非易失性存儲器、邏輯器件和計算中的廣泛應用。它通常是具有金屬/電阻切換（RS）層/金屬的夾層結構的雙端子裝置。據報道，大量的絕緣和半導體材料可用作RS材料，目前也有許多策略已被用于調整或改善RS行為，例如摻雜，結構優化，電極和界面工程，以及測量條件等。最近，石墨烯和其他2D層狀材料也被認為是制造憶阻器的有希望的候選者。石墨烯可用作電極或電極與電介質之間的界面層，以阻止原子擴散并限制導電細絲的數量。此外，已經報道了一系列2D材料中的各種RS行為，包括氧化石墨烯，過渡金屬二硫化物（TMD），六方氮化硼和黑磷。除了TMD之外，2D層狀III-VI半導體材料由于其較好的電學和光學性質而備受關注。其中，硒化鎵（GaSe）是p型半導體，其間接帶隙大約為2.0 eV，直接帶隙不小于25 meV。在其2D形式中，GaSe預期具有優異的光學和電學性質，表明在非線性光學，太赫茲生成和光電子學中有希望的應用。然而，到目前為止，在憶阻器或記憶電阻器中尚未報道使用2D分層GaSe。

【成果簡介】

近日，四川師范大學接文靜副教授聯合香港理工大學郝建華教授將憶阻器和場效應晶體管(FET)的概念與二維(2D)層狀材料作為有源半導體層相結合，提出了一種多端子混合系統——憶阻管和場效應晶體管(FET)。在憶阻器中，柵極電壓不僅能夠調制制造的FET的傳輸特性，還可以調制憶阻管的電阻開關(RS)行為。在此，作者采用機械剝離的二維層狀GaSe納米片制備了基于GaSe的三端子記憶晶體管。以Ag為電極的憶阻器具有非易失的雙極RS特性。后續實驗表明，在空氣暴露一周后，RS行為顯著增強的開/關比率達到5.3×10⁵，同時超低閾值電場為~3.3×10² Vcm^-1，猜想基于GaSe的憶阻器的超低閾值電場可能與p型GaSe中的本征Ga空位的低遷移能量有關。此外，基于GaSe的憶阻器同時顯示出長期保留（~10⁴ s）和高循環耐久性（~5000次循環）。因此，所制備的三端二維GaSe記憶晶體管具有大開關比、超低閾值電場、良好的耐久性和長期保持性等優點。該器件還顯示了RS特性中的柵極可調性，在非易失性存儲器、邏輯器件和神經形態計算等低功耗、功能復雜的多終端電子器件中具有廣闊的應用前景。該成果近日以題為“Three-Terminal Memtransistors Based on TwoDimensional Layered Gallium Selenide Nanosheets for Potential Low-Power Electronics Applications”發表在知名期刊Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖一：示意圖及理化表征

(a) 基于GaSe的具有FET結構的二維憶阻器原理圖；
(b) GaSe原子結構示意圖；
(c) GaSe納米薄片脫落后的AFM圖像；
(d) SiO2基底負載GaSe的拉曼光譜。

圖二：基于GaSe的憶阻器的電阻開關行為

（a）2V工作電壓下Ag/GaSe/Ag憶阻器的I-V特征曲線；
（b）Ag/GaSe/Ag憶阻器的50個實驗開關回路；
（c）（a）中I-V曲線的正壓部分以雙對數坐標和log（I）-log（V）曲線的線性擬合重新繪制；
（d）Ag/GaSe金屬-半導體結的能帶圖。

圖三：基于GaSe的憶阻器一周后的電阻開關行為

（a）2V工作電壓下GaSe憶阻器的I-V特征曲線；
（b）GaSe憶阻器的50個實驗開關回路；
（c）（a）中I-V曲線的正壓部分以雙對數坐標和log（I）-log（V）曲線的線性擬合重新繪制；
（d）制造的2D基于GaSe的FET和在空氣中暴露一周的器件的傳輸特性。

圖四：GaSe憶阻器RS機制的原理圖

（a）Vds=0的初始狀態；
（b）Ga空位導電絲的成核和生長；
（c）具有連接源極和漏極的燈絲的LRS；
（d）具有斷絲的HRS。

圖五：耐久性測試

（a）用電壓脈沖測量的Ag/GaSe/Ag憶阻器的開關周期。
（b）存儲器的開關耐久性。

圖六：開關行為

(a) Ag/GaSe/Ag憶阻器的柵極可調電阻開關行為；
(b) 基于GaSe的FET在LRS和HRS的傳輸特性。

【小結】

作者通過結合憶阻器和FET的器件，成功地展示了基于機械剝離的2D分層GaSe納米片的三端子記憶晶體管。該工作可以擴大RS系列材料，并顯示以前沒有解決過的更多新特性。基于GaSe的憶阻器表現出非易失性雙極RS行為。暴露于空氣中一周后，RS行為顯著增強，ON/OFF比率達到5.3×10⁵，超低設定和復位電場為~3.3×10² V·cm^-1。基于GaSe的憶阻器的超低ESET可能與p型GaSe中的固有Ga空位的低遷移能量有關，這暗示了在低功率非易失性存儲器中應用的潛能。此外，Vg不僅可以調節基于GaSe的FET的傳輸特性，還可以調節基于GaSe的憶阻器中的VSET和VRESET，這表明可以應用在低功耗和復雜功能的多端子電子器件。

文獻鏈接：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)

本文由材料人電子組大兵哥供稿，材料牛整理編輯。

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