复旦大学、北京邮电大学Nature Nanotechnology：不对称导电路线和电势重新分布决定了层状铁电体中极化相关的电导率

一、【导读】

近年来，分层铁电半导体材料在先进晶体管、存储器和逻辑电路中的应用越来越受关注，但极化反转如何引起电导率变化仍不清楚，因此功能设计和性能优化仍然困难重重。以往的研究主要集中在分层铁电材料的器件级物理机制上，而对于通道级的极化依赖电导率的机制了解有限。复旦大学周鹏/王水源团队与北京邮电大学屈贺如歌副教授合作，将态密度泛函理论计算、量子输运模拟与实验论证相结合，首次揭示了FeCFETs极化依赖的本征效应与外场优势机制。

二、【成果掠影】

由本征斯塔克效应（内建电场）导致的非对称导电通路与栅极外场诱导的电势竞争形成的重分布决定了电子行为。研究验证，该机制在广泛的层状铁电体家族中的普适性。基于全新认知图谱，作者团队设计了通过控制导电沟道位置和氧化物厚度来精确控制双栅FeCFETs电导阈值的策略，并在不引入额外的浮栅堆栈或物理场前提下，实现了多种可以按照需求无需外部电场而自行切换的存内（逻辑）计算（computing in memory）功能。相关成果以“Asymmetric conducting route and potential redistribution determine the polarization-dependent conductivity in layered ferroelectrics”为题发表于Nature Nanotechnology。

三、【核心创新点】

1、探讨了层状铁电半导体中极化相关的电导率，并揭示了其在逻辑和存储电子学中的潜在应用。

2、研究结合了从头算计算和输运实验，以揭示导电性变化的机制。研究结果为调制层状铁电体导电性提供了见解，并为它们在逻辑和存储电子学中的应用铺平了道路。

3、同时，研究还展示了电可自切换的主要和复合逻辑门的实现，以及在铁电场效应晶体管（FeCFETs）中的导电阈值工程和自切换逻辑存储功能的潜力。这些发现对于发展先进的逻辑和存储集成电子学具有重要意义。

四、【数据概览】

图 1 层状铁电α-In₂Se₃中的隐藏斯塔克效应能够形成不对称导电路线© 2023 Springer Nature

图2 电势重新分布由相对于栅极的偏振方向决定© 2023 Springer Nature

图3 用于受控电导率阈值调制的不对称导电路线和栅极感应电势重新分布 © 2023 Springer Nature

图4 自切换内存逻辑电导率阈值调制的实验实现 © 2023 Springer Nature

五、【总结】

总之，作者讨论了层状铁电半导体中极化相关的电导率以及其在逻辑和存储电子学中的潜在应用。研究结合了从头算计算和运输实验，揭示了导电性变化的机制，并探讨了在铁电场效应晶体管（FeCFETs）中的导电阈值工程和自切换逻辑存储功能的潜力。研究结果对于发展先进的逻辑和存储集成电子学具有重要意义。同时，文章还提供了有关α-In₂Se₃通道晶体管的制备和特性以及其在存储、神经计算和逻辑操作中的潜在应用的详细信息。文章还包括了有关DFT计算、量子输运模拟和器件测试方法的信息。

原文详情：

Asymmetric conducting route and potential redistribution determine the polarization-dependent conductivity in layered ferroelectrics.

DOI: 10.1038/s41565-023-01539-4.

本文由尼古拉斯供稿