铁电隧穿结可通过铁电极化翻转调控隧穿电流，以紧凑的两端结构实现信息的非易失写入和非破坏性电阻读出，是面向高密度非易失存储与存内计算的重要候选器件。然而，在此类器件中，高隧穿电阻比与高循环耐久性长期以来难以兼得。3R-MoS2和1T′-ReS2等新型二维滑移铁电体依靠层间相对滑移实现极化翻转，可避免传统离子位移型铁电材料中的离子迁移和缺陷累积，具有超过1011次循环的抗疲劳能力。然而，其剩余极化强度比传统氧化物铁电体低2至3个数量级，难以在两端器件中产生足够强的电学读出。
近日，中国科学院半导体研究所半导体芯片物理与技术全国重点实验室吴江滨研究员、谭平恒研究员团队与香港大学汪涵教授团队通过二维范德华异质结界面工程，构建了Cr/h-BN/3R-MoS2/单层石墨烯滑移铁电隧穿结，并进一步将这一结构拓展至1T′-ReS2体系。其中，h-BN提供均匀、低漏电的独立隧穿势垒，保障器件的稳定开关；3R-MoS2（或1T′-ReS2）产生耐疲劳的滑移极化及相应的内建电势差，进而调控隧穿势垒高度；单层石墨烯则作为低态密度、弱屏蔽电极，使极化能够有效调控参与隧穿输运的载流子浓度。隧穿势垒与载流子浓度的协同调控形成了类似“杠杆放大”的效应，实现了“四两拨千斤”，将二维滑移铁电体较弱的剩余极化转化为巨大的电阻读出对比度。
在0.5 伏读取电压下，该器件获得高达1.9×107的隧穿电阻比，较此前报道的滑移铁电隧穿结提高4个数量级以上，同时实现222 A/cm2（安培每平方厘米）开态电流密度和超过1011次的开关耐久性。器件在脉宽低至13 纳秒时仍可实现可靠切换，开关能耗为6.5 fJ/bit（飞焦耳每比特）。团队还制备了8×8器件阵列，全部64个单元均表现出一致的双稳态非易失开关，展示了其面向高密度集成的潜力。
该工作在紧凑的两端结构中同时实现了巨大的非易失读出窗口、超高耐久性、大驱动电流、快速切换和低开关能耗，突破了铁电隧穿结中读出对比度与循环可靠性相互制约的瓶颈，为高密度、高可靠非易失存储和交叉阵列存内计算提供了新的器件设计路径。
图1 滑移铁电隧道结的器件结构、电学特性与性能对比。（A）器件结构示意图；（B）截面STEM与EELS元素分布；（C）关态和开态对应能带示意图；（D）直流扫描 I–V特性曲线；（E）小偏压读出特性；（F–G）8×8阵列SEM图像与I–V曲线；（H）隧穿电阻比–耐久性综合性能对比，本工作同时实现隧穿电阻比 > 107与耐久性 > 1011次。
相关成果以“Giant tunneling electroresistance in sliding ferroelectrics”为题，发表于《科学》（Science）。半导体所博士生汪月为论文第一作者，香港大学汪涵教授、半导体所谭平恒研究员和吴江滨研究员为论文通讯作者。半导体所魏钟鸣研究员和刘岳阳研究员、浙江工业大学刘凡新教授指导了该项研究。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、香港研究资助局、北京市自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、张江实验室和苏州实验室的支持。
