快科技9月15日消息，中国科学院半导体研究所科研人员研制出一种新型“铁电隧穿结”，利用原子层间仅埃米级（不到1纳米）的微小滑移，即可让开关电阻相差约1900万倍，并反复开关超过1000亿次，为开发更省电、更耐用的存储与存算一体芯片提供了新路径。
铁电隧穿结可看作一个微型“三明治”：上下两层是电极，中间夹着一层极薄的铁电材料。这层材料本为绝缘体，电子难以通过；但当厚度薄到一定程度后，电子就能像“穿墙”一样隧穿而过。
同时，铁电材料的极化方向可以翻转，方向一变，这堵“墙”的高低也随之改变：墙矮时电子容易通过、电流大，记作一种状态；墙高时电子难以通过、电流小，记作另一种状态。两种状态电阻差别越大，数据读出就越准确。
然而，长期困扰学界的是，大电阻差与耐反复读写往往难以兼得。传统铁电材料“力气大”，能让电阻差别很明显，但反复开关后容易“疲劳”，寿命有限。
新型二维滑移铁电材料则相反，它依靠原子层之间极微小的错动来改变状态，几乎不磨损，能反复开关超过1000亿次，比传统材料耐用得多，但极化信号弱、电阻变化不明显，数据读起来费劲。
此次，中国科学院半导体研究所吴江滨研究员、谭平恒研究员团队与香港大学汪涵教授团队合作，在器件中引入三种关键功能层：氮化硼像一道均匀的“薄墙”，减少漏电并提供稳定隧穿势垒；二维滑移铁电材料像可滑动的“闸门”，原子层一错动就能调控这道墙的高低；单层石墨烯则像灵敏的“感受器”，能察觉变化并调节穿过墙的电子数量。
三者配合产生“四两拨千斤”的效果，把微弱的极化变化转化为巨大的电阻差别。
实验数据显示，在0.5伏读取电压下，这种器件的电阻开关比达到1.9 x 10^7，比此前同类器件提高超过4个数量级。
它还能承受超过1000亿次开关，开态电流密度达每平方厘米222安培，并能在脉宽低至13纳秒的极短电压脉冲下可靠切换。
研究团队表示，这项成果同时兼顾了高读出信号、高耐久性、大电流、快速切换和低能耗，突破了铁电隧穿结长期存在的瓶颈。
未来，随着大规模阵列和配套电路完善，这类器件有望用于更高密度、更低功耗的存储和存算一体芯片，让手机、电脑在有限电量下承担更复杂的计算任务。
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责任编辑：鹿角