【材料】四川师范接文静香港理工郝建华NanoEnergy：基于二维层状硒化镓纳米片三端子记忆晶体管用于潜低功耗电子应用

　四川师范接文静&香港理工郝建华NanoEnergy：基于二维层状硒化镓纳米片的三端子记忆晶体管用于潜在的低功耗电子应用

　【研究背景】

　由于低功耗，高速度和优越的可扩展性，忆阻器在非易失性存储器、逻辑器件和计算中的广泛应用。它通常是具有金属/电阻切换（RS）层/金属的夹层结构的双端子装置。据报道，大量的绝缘和半导体材料可用作 RS 材料，目前也有许多策略已被用于调整或改善 RS 行为，例如掺杂，结构优化，电极和界面工程，以及测量条件等。最近，石墨烯和其他 2D 层状材料也被认为是制造忆阻器的有希望的候选者。石墨烯可用作电极或电极与电介质之间的界面层，以阻止原子扩散并限制导电细丝的数量。此外，已经报道了一系列 2D 材料中的各种 RS 行为，包括氧化石墨烯，过渡金属二硫化物（TMD），六方氮化硼和黑磷。除了 TMD 之外，2D 层状III-VI 半导体材料由于其较好的电学和光学性质而备受关注。其中，硒化镓（GaSe）是 p 型半导体，其间接带隙大约为 2.0 eV，直接带隙不小于 25 meV。在其 2D 形式中，GaSe 预期具有优异的光学和电学性质，表明在非线性光学，太赫兹生成和光电子学中有希望的应用。然而，到目前为止，在忆阻器或记忆电阻器中尚未报道使用 2D 分层 GaSe。

　【成果简介】

　近日， 四川师范大学接文静副教授联合香港理工大学郝建华教授将忆阻器和场效应晶体管(FET)的概念与二维(2D)层状材料作为有

　源半导体层相结合，提出了一种多端子混合系统——忆阻管和场效应晶体管(FET)。在忆阻器中，栅极电压不仅能够调制制造的FET 的传输特性，还可以调制忆阻管的电阻开关(RS)行为。在此，作者采用机械剥离的二维层状 GaSe 纳米片制备了基于 GaSe的三端子记忆晶体管。以 Ag 为电极的忆阻器具有非易失的双极RS 特性。后续实验表明，在空气暴露一周后，RS 行为显著增强的开/关比率达到 5.3×10 5 ，同时超低阈值电场为~3.3×10 2

　Vcm -1 ，猜想基于 GaSe 的忆阻器的超低阈值电场可能与 p 型 GaSe 中的本征 Ga 空位的低迁移能量有关。此外，基于 GaSe 的忆阻器同时显示出长期保留（~10 4

　s）和高循环耐久性（~5000 次循环）。因此，所制备的三端二维 GaSe 记忆晶体管具有大开关比、超低阈值电场、良好的耐久性和长期保持性等优点。该器件还显示了 RS 特性中的栅极可调性，在非易失性存储器、逻辑器件和神经形态计算等低功耗、功能复杂的多终端电子器件中具有广阔的应用前景。该成果近日以题为“Three-Terminal Memtransistors Based on TwoDimensional Layered Gallium Selenide Nanosheets for Potential Low-Power Electronics Applications”发表在知名期刊 Nano Energy 上。

　【图文导读】

　 图一：示意图及理化表征

　 (a) 基 于 GaSe 的 具 有 FET 结 构 的 二 维 忆 阻 器 原 理 图 ； (b) GaSe 原 子 结 构 示 意 图 ； (c) GaSe 纳 米 薄 片 脱 落 后 的 AFM 图 像 ； (d) SiO 2 基底负载 GaSe 的拉曼光谱。

　 图二：基于 GaSe 的忆阻器的电阻开关行为

　 （a）2V 工作电压下 Ag/GaSe/Ag 忆阻器的 I-V 特征曲线； （b）Ag/GaSe/Ag 忆阻器的 50 个实验开关回路； （c）（a）中 I-V 曲线的正压部分以双对数坐标和 log（I）-log（V）曲线的线性拟合重新绘制； （d）Ag/GaSe 金属-半导体结的能带图。

　 图三：基于 GaSe 的忆阻器一周后的电阻开关行为

　 （a）2V 工作电压下 GaSe 忆阻器的 I-V 特征曲线； （b）GaSe 忆阻器的 50 个实验开关回路； （c）（a）中 I-V 曲线的正压部分以双对数坐标和 log（I）-log（V）曲线的线性拟合重新绘制； （d）制造的 2D 基于 GaSe 的 FET 和在空气中暴露一周的器件的传输特性。

　 图四：GaSe 忆阻器 RS 机制的原理图

　 （a）Vds=0 的初始状态； （b）Ga 空位导电丝的成核和生长； （c）具有连接源极和漏极的灯丝的 LRS； （d）具有断丝的 HRS。

　 图五：耐久性测试

　 （a）用电压脉冲测量的 Ag/GaSe/Ag 忆阻器的开关周期。

　（b）存储器的开关耐久性。

　 图六：开关行为

　 (a) Ag/GaSe/Ag 忆阻器的栅极可调电阻开关行为； (b) 基于 GaSe 的 FET 在 LRS 和 HRS 的传输特性。

　 【小结】

　作者通过结合忆阻器和 FET 的器件，成功地展示了基于机械剥离的 2D 分层 GaSe 纳米片的三端子记忆晶体管。该工作可以扩大RS 系列材料，并显示以前没有解决过的更多新特性。基于 GaSe的忆阻器表现出非易失性双极 RS 行为。暴露于空气中一周后，RS 行为显著增强，ON/OFF 比率达到 5.3×10 5 ，超低设定和复位电场为~3.3×10 2

　V·cm -1 。基于 GaSe 的忆阻器的超低 ESET 可能与 p 型 GaSe 中的固有 Ga 空位的低迁移能量有关，这暗示了在低功率非易失性存储器中应用的潜能。此外，Vg 不仅可以调节基于 GaSe 的 FET 的传输特性，还可以调节基于 GaSe 的忆阻器中的 VSET 和 VRESET，这表明可以应用在低功耗和复杂功能的多端子电子器件。

　文 献 ：

　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)