Science: 滑移铁电体中的高隧穿电阻比

非易失性存储器应在消耗极少能量的同时可靠地存储信息。 铁电隧道结提供了紧凑的读出方式，但传统的离子位移型铁电体容易疲劳，而二维滑移铁电体虽然稳健，却在两端器件中产生较弱的读出信号。

在此，中国科学院半导体研究所吴江滨研究员、谭平恒研究员和香港大学Han Wang教授等人利用菱方相二硫化钼、六方氮化硼、单层石墨烯和铬构建了一种范德华结。该架构将微小的滑移极化转化为对隧穿势垒高度和载流子浓度的协同调控。器件表现出超过10⁷的隧穿电阻效应，在0.5 V下高电导态电流密度达222 A/cm2，耐久性超过1000亿次循环，同时以13纳秒脉冲进行翻转，估计能耗为6.5飞焦耳，为紧凑型低功耗存储器提供了一条可行路径。

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研究内容

逻辑与存储器之间的数据移动日益主导能耗与延迟，这些问题激发了人们对兼具快速操作与高密度集成的两端非易失性存储器的兴趣。 此类纳米级叠层结构面临的核心挑战在于：巨大的读出对比度与超高耐久性难以兼得。更有利于耐久性的翻转路径通常对活性材料的扰动较小，但也往往产生小得多的双态电流读出窗口。例如，铁电隧道结（FTJs）中极化翻转可调制超薄隧穿势垒，能够提供非常大的隧穿电阻效应。然而，在传统离子位移型铁电体中，反复翻转常伴随缺陷积累和界面退化，这与离子运动、空位迁移和畴壁钉扎有关，最终损害可靠性和耐久性（<107次翻转循环）。对于紧凑型两端存储器而言，同时实现大电学对比度和近乎无疲劳的循环，仍然是一个根本性的材料与器件挑战。

二维（2D）滑移铁电体，能够强烈抑制极化疲劳，并维持高达约1011次操作的循环，因为其极化源于弹性层间平移而非离子位移。然而，这一优势并未自然转化为具有高TER的两端FTJs。其剩余极化仅为0.1至0.3 μC cm-2，比传统氧化物铁电体的10至100 μC cm-2低两到三个数量级（图1A）。小的极化诱导电势偏移容易被金属电极屏蔽，在标准两端叠层中仅产生弱的势垒调制、低TER和有限的开态电流。因此，许多滑移铁电器件依赖于三端或四端方案，将编程与读出解耦，但这增加了结构复杂性并降低了集成密度。一种能够将微弱滑移极化转化为强隧穿响应的两端架构将规避这些问题。

在此，本文表明这种转化可以在两端FTJ中通过由铬（Cr）/六方氮化硼（h-BN）/3R-MoS2/石墨烯组成的范德华（vdW）叠层实现。在该滑移FTJ中，h-BN确保均匀、抑制漏电的隧穿势垒，石墨烯则提供弱屏蔽、低态密度的电极。它们结合的电极-势垒工程将小的极化诱导能带弯曲转化为对隧穿势垒和载流子注入/提取的有效协同调控。结果，这些两端结在0.5 V读出偏压下实现了TER >107，开态电流密度高达222 A cm-2。这些器件能够实现快速、低电压读出，并保持超过1011次循环的抗疲劳耐久性以及稳定的保持特性。进一步在基于1Tʹ-ReS2的FTJs中复现了双稳态非易失性翻转，支持了该设计原则的更广泛适用性。这种vdW架构在紧凑的两端叠层中打破了读出裕度与循环退化之间通常的耦合关系，为高密度非易失性存储器和交叉阵列存内计算开辟了一条路径。

图1：3R-MoS2中的滑动铁电性。

图2：3R-MoS2滑动型FTJ器件的结构与电学特性。

图3：多因素控制技术确保稳定的高TER值。

图4：3R-MoS2与1Tʹ-ReS2滑移型FTJ器件的性能。

结论展望

综上所述，本文展示了一种高性能的两端范德华滑移铁电隧道结（FTJ），它克服了翻转耐久性与读出对比度之间传统的权衡关系。 将非对称电极与h-BN隧穿势垒相结合，把二维滑移铁电体微弱的极化诱导电势偏移放大为巨大的隧穿电流调制，为滑移FTJ器件提供了一种可推广的设计原则。我们的实验结果表明，Cr/h-BN/3R-MoS2/石墨烯架构在0.5 V读出偏压下实现了超过10⁷的TER和高达222 A cm⁻²的稳健开态电流密度。这些指标相较此前报道的滑移FTJs提升了五个数量级。此外，器件表现出优异的抗疲劳操作性能，耐久性超过1011次循环，同时兼具13 ns的高翻转速度和超低能耗（约6.5 fJ）。该设计原则的普适性通过在1Tʹ-ReS2体系中的成功实现得到了进一步验证。鉴于其与后道工艺（BEOL）集成的潜在兼容性，这一基于范德华异质结构的平台为高密度、超高可靠性和高能效的非易失性存储器及存内计算系统开辟了一条有前景的路径。

文献信息

Yue Wang, Yu Zhao, Yifei Zhang, Liutianyi Zhang, Zijian Zhong, Sishuo Liu, Chentao Hou, Fanxin Liu, Bin-Bin Zhang, Zhongming Wei, Yue-Yang Liu, Han Wang, Ping-Heng Tan, and Jiangbin Wu, Giant tunneling electroresistance in sliding ferroelectrics, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeh3697

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