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NAND设计全加器基于异质结晶体管的四元NAND逻辑和互补三元反相器

发布时间 : 2024-10-06

作者 : 小编

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基于异质结晶体管的四元NAND逻辑和互补三元反相器

研究背景

最近几年，基于过渡金属硫族化合物(TMDs)或其他单元素2D半导体的2D异质结已被广泛研究，在范德华(vdW)2D结界面方面显示出新的性质。除了PN结二极管之外，还尝试使用通用的vdW异质结实现其他高级器件应用，例如多值逻辑和陷阱感应存储器。在这些应用中，使用2D场效应晶体管(FET)的多值逻辑器件特别有吸引力，因为传统的二值Si基3D晶体管如今在超大规模集成电路中面临功率密度限制，因此存在功率降低的可能性。因此，已多次报道使用2D FET的多值器件展示出它们的静电和动态行为。2D异质结FET中的多值机制通常源于反双极性、负微分电阻(NDR)和共振隧穿行为。已报道的2D基多值方法与连接到NDR二极管的多值沟道FET或二值FET相关。但同时实现n和p沟道多值FET的研究都很少见。同时，2D基多值CMOS反相器可能实现具有最低功耗的多值逻辑，但也只是少数。同样，考虑到多值晶体管应该表现出独特的逻辑行为，不同于用于二进制数字逻辑的传统硅晶体管，需要更先进和前沿的应用来推动2D器件领域的研究。

成果介绍

有鉴于此，近日，韩国延世大学Seongil Im教授团队报道了使用p-MoTe2/n-MoS2异质堆叠沟道架构制造n沟道和p沟道多值FET，其中p或n沟道三值FET可通过切换p和n沟道层的堆叠顺序来重现。主要的三值机制源自共振隧穿型注入和沟道反转，它们发生在器件工作期间。对于最先进的2D电子器件应用，首次通过集成两个三元n沟道FET展示了四元NAND逻辑电路，并且还通过集成多值p沟道和普通n沟道FET制造了互补三元反相器。文章以“Quaternary NAND Logic and Complementary Ternary Inverter with p-MoTe2/n-MoS2 Heterostack Channel Transistors ”为题发表在著名期刊Advanced Functional Materials 上。

图文导读

图1. HS n沟道FET的示意图和MoS2/MoTe2异质结的表征。（a&b）HS n沟道FET的3D横截面示意图和俯视图。（c）MoTe2、MoS2和MoS2/MoTe2的SKPM图像。（d）n-MoS2/p-MoTe2结的预期能带图。（e）MoTe2、MoS2和MoS2/MoTe2的拉曼光谱。（f）h-BN/MoS2/MoTe2/电介质横截面的HRTEM图像。（g）EDS结果。

图1a和b分别显示了HS n沟道底栅FET的3D横截面示意图和俯视图，其中n-MoS2堆叠在p-MoTe2上，而S-D电极仅接触n-MoS2。Au/Ti栅极/玻璃衬底上的电介质由在50 nm厚ALD Al2O3上处理的超薄聚苯乙烯(PS)刷组成。疏水性PS刷施加到亲水性Al2O3上，在TMDs沟道/电介质界面处实现最小陷阱密度。根据图1c的SKPM图像，MoTe2和MoS2的功函数彼此非常相似，分别为4.88和4.87 eV，而MoTe2上的MoS2（堆叠区域）显示稍高值为4.91 eV。因此可以描述PN结的能带图，如图1d所示。图1e显示了MoTe2和MoS2的拉曼光谱，证明了材料的高晶体质量。h-BN/MoS2/MoTe2/电介质横截面样品的HR-STEM图像显示出≈5 nm薄(7L)的MoS2和MoTe2层堆叠在一起，界面干净，如图所示1f和g。EDS元素成像也证实了垂直堆叠的MoS2/MoTe2样品中的组成及其界面质量（图1g）。

图2. HS n沟道三元FET和电阻负载型反相器的性质。（a）异质堆叠n沟道FET的OM图像以及器件横截面的示意图。（b）MoS2和MoTe2每个厚度的AFM扫描结果。（c）转移特性中的三值ID行为。（d）器件的输出特性。（e）使用500 MΩ外部电阻的三值反相器获得的VTC反相器曲线显示1、1/2和0状态。（f）三元反相器电路的动态行为。

HS n沟道FET的OM图像与器件横截面的示意图如图2a所示。图2b给出了MoS2和MoTe2厚度分布的AFM扫描结果，二者厚度几乎一样，~3.7 nm。图2c中HS n沟道FET的转移特性显示出三值ID行为：随着ID下倾有两个ON状态和一个OFF状态（高ON、中间ON和OFF）。栅极漏电流(IG)低至≈10 fA。ID的下倾再次由图2d中的输出特性(ID-VDS)确认，其中左侧输出曲线显示正常，但其放大细节包括下倾的ID行为，如右侧曲线所示。ID在较小负VGS(=-0.8,-1.5 V)时比在更负的-2.2 V时更小。基于三值ID状态，电压传输特性(VTC)是从带有500 MΩ外部电阻的三值反相器实现的，如图2e所示。0和1/2状态之间的电压增益高达≈10，但1/2和1状态之间的第二个增益很低，只有几。图2f显示了三元反相器电路的动态行为，在时域中显示了1、1/2和0状态的不同输出电压(VOUT)。

图3. HS n沟道三元FET的工作机制。（a）在p-MoTe2顶部具有两个不相连n-MoS2薄片的HS n沟道FET的OM图像和横截面示意图。（b&c）转移和输出特性。（d）n-MoS2/p-MoTe2结的能带图。（e）p-MoTe2上连续n-MoS2沟道的转移曲线。

为了深入了解三值的机制，设计并制造了另一个HS n沟道FET，在p-MoTe2顶部具有不相连的n-MoS2（分离成两个薄片），如图3a的OM图像和横截面所示。器件的转移和输出特性分别如图3b和c所示，除了ID小一个数量级之外，I-V特性与图2c和d非常相似。在转移曲线中，ID区域根据栅极电压分为(i)-(iv)。图3d中n-MoS2/p-MoTe2结的能带图清楚地描述了VGS相关的三元ID机制以及每个区域的器件横截面示意图。第一个区域(i)表示关闭状态，而在区域(ii)中，从n-MoS2到p-MoTe2发生共振隧穿型注入。这种隧穿注入在vdW PN结中很有可能，因为费米能级(EF)随VGS增加。对于电子电荷的源极-沟道注入，电子通过vdW间隙传输，vdW间隙可以作为两个不同TMDs之间异质结处的隧穿势垒。当然，这与共振隧穿二极管机制略有不同，在共振隧穿二极管机制中，施加的二极管偏置调制一个半导体的EF，以满足隧穿势垒上另一侧的能级。然而，在使用vdW隧穿势垒并使用能级匹配进行电子-空穴相遇/或复合的方面，将导致NDT的现象命名为“共振隧穿型注入”。由于EF的进一步增加，当电子遇到MoTe2能带中的禁带时，这种注入暂时停止或可以在区域(iii)中最小化。随着VGS进一步增加，ID再次增加，克服了热离子势垒，这是因为p-MoTe2最终反转为n型，如区域(iv)所示。现在MoTe2变成了n沟道。因此，三值机制为共振隧穿型注入和沟道反转。 图3e显示了区域(v)，它仅适用于n-MoTe2上的连续n-MoS2沟道。如横截面示意图所示，这种正常三值FET应该具有更高的ID水平，因为它有另一个通过顶部n-MoS2的电子传输路径。也就是说，在高VGS下，HS n沟道FET具有两个沟道，包括顶部n-MoS2和反转的底部n-MoTe2。

图4. 四值NAND逻辑电路及其性质。（a）具有两个三值n沟道FET（器件A和B）和一个外部负载的多值NAND逻辑电路的OM图像。（b）器件A和B的三值转移特性。（c）在器件B的输入电压条件下实现了三种不同的VTC反相器行为（VA，IN-VOUT）。（d）真值表显示NAND逻辑中的四种状态。（e）时域动力学演示了各种输入（VA、VB）条件下的四种状态。

三值n沟道FET的工艺高度可重复，因此制造了两个多值FET-一个负载（外部电阻，10 GΩ）电路（TTL），如图4a所示。结果，获得了具有四种不同状态的多级NAND逻辑。图4b显示了器件A和B的三值转移特性，由于器件尺寸和HS重叠结面积可能存在差异，因此这两条转移曲线彼此略有不同。当另一个器件B上的输入电压(VB)固定为三个不同的值：VB=-3、-1和3 V时，可以获得三种不同的VTC反相器行为（输入电压VA-VOUT）和四种不同的状态（VOUT=1、0.6、0.4和0 V，VDD为1 V），如图4c所示。图4d给出了一个真值表来显示NAND逻辑中的四种状态，并在时域中动态展示，如图4e所示。根据动态VOUT行为，在给定(VA,VB)条件下，遵循真值表，四种状态不同。事实上，普通FET在逻辑（ON和OFF）中具有二值或ID状态，它们用于NAND逻辑的TTL电路时只显示两种不同的状态（即VOUT=1和0 V）。因此，2D基三值TTL导致四元状态相当惊人和新颖。到目前为止，使用2D半导体的多值NAND逻辑从未被报道过。

图5. HS p沟道三元FET和CMOS反相器操作。（a）p沟道多值FET的3D示意图，通过简单地切换p-MoTe2和n-MoS2的堆叠顺序获得。（b&c）p沟道多值FET的转移和输出特性。（d）集成的CMOS反相器的OM图像。（e）三值p沟道和二元n沟道FET的两条转移曲线。（f）三值CMOS反相器的VTC曲线。

最后，将p型和n型TMDs的堆叠顺序反转，制造了p沟道多值FET。因此，p-MoTe2堆叠在n-MoS2上，Pt S-D接触p-MoTe2，而n-MoS2与电介质表面接触。图5a显示了p沟道多值FET的3D示意图，其转移和输出特性分别如图5b和c所示。在转移特性中，中间ON状态很明显。根据输出曲线，还观察到VGS相关的ID减少或饱和，反映了中间ON状态，类似于n沟道多值FET的行为。再次将这些现象归因于共振隧穿型注入。扩展到进一步的应用，将p沟道三值FET集成到CMOS反相器电路中，如图5d所示，其中HS p沟道FET连接到一个普通的n沟道MoS2 FET（Au接触用于p-和n-FET）。三元CMOS器件的最初目的是CMOS在一般逻辑开关中提供的低功耗。图5e显示了三值p沟道和二元n沟道FET的两条转移曲线。三值CMOS反相器的VTC曲线如图5f所示，显示出三元VOUT行为，并且可以清楚地观察到1、1/2和0状态。

总结与展望

本文研究了基于p-MoTe2/n-MoS2 HS沟道器件架构的n和p沟道多值FET。通过切换TMDs的堆叠顺序，可以重现p或n沟道多值FET。主要的三值机制源自FET工作期间的共振隧穿型注入（从n-MoS2到p-MoTe2沟道，反之亦然）和沟道反转。对于n沟道多值FET中的沟道反转，p-MoTe2在高正VGS下变为n型，因此它可以作为顶部MoS2沟道之外的第二个n沟道。对于n沟道多值器件应用，通过将两个三元n沟道FET集成首次演示了四态多值NAND逻辑电路。而对于p沟道多值器件应用，三元CMOS反相器是通过集成多值p沟道FET和普通n-MoS2 FET制成的。四元NAND逻辑门是最先进的应用之一，而CMOS反相器也被认为是新颖的。因此，HS PN沟道方法独特且实用，有望为2D半导体多值逻辑领域开辟一条新途径。

文献信息

Quaternary NAND Logic and Complementary Ternary Inverter with p-MoTe2/n-MoS2 Heterostack Channel Transistors

(Adv. Funct. Mater. , 2021, DOI:10.1002/adfm.202108737)

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202108737