近日，南京大學電子科學與工程學院謝臻達教授和南京理工大學嚴仲副教授發表了基于MoS2-BN-Graphene范德華異質結的多功能半浮柵晶體管的研究。該半浮柵器件可以實現運算、存儲和整流三種不同的功能。研究團隊利用干法定點轉移的工藝，制備了MoS2-BN-Graphene范德華異質結，同時參考傳統硅基半導體器件的工藝及原理，設計制備出來了半浮柵器件（HFG-FET）。這種器件可以實現三種不同器件的功能：作為場效應晶體管（MOSFET）可以用于邏輯運算；作為非易失性存儲器（FG-MOSFET）可以實現數據的存儲，數據可以保持10年，存儲開關比為103；作為二極管也可以實現整流的功能，整流比高達103，該值可由不同的Vcg進一步調制。
圖一：基于MoS2-BN-Graphene異質結的半浮柵器件。（a）半浮柵器件結構示意圖，其中MoS2為溝道，石墨烯為半浮柵，BN為隧穿層，重摻雜襯底Si為控制柵；（b）半浮柵器件光學照片圖，異質結中的MoS2、h-BN和石墨烯區域分別用紫色、藍色和紅色的實線標記，標尺為20μm; (c)器件A為MOSFET，其中電極1和2為源漏兩極，電極5為柵極；（d）器件B為FG-MOSFET，其中1和2為源漏兩極，襯底Si為控制柵；（e）器件C為二極管，其中電極2為陽極，電極3為陰極。
“More than Moore”（超越摩爾）是后摩爾時代推動半導體行業持續發展的主要的技術方案之一。這種方案側重于半導體器件功能的多樣化（Functional diversification），從器件的功能設計、集成方式以及應用上拓展半導體行業的維度，而不是單純的依靠器件尺寸的微縮來提升器件性能。自2004年石墨烯材料被發現以來， 二維晶體材料已發展成為龐大的家族，涵蓋了導體，半導體和絕緣體。二維晶體界面之間依靠范德華力作結合，因此，不同二維材料依靠范德華相互作用可以組合成大量性質各異的范德華異質結。豐富的材料種類和優異的界面特性為設計制備基于二維材料異質結的多功能器件提供了便利，為探索 More than Moore 技術路線提供了契機。
研究團體設計并制備了具有范德華異質結構的半浮柵晶體管，成功的將場效應晶體管、非易失性存儲器（FG-MOSFET）和二極管集成在單一的器件中。這種多功能半浮柵器件不僅可以在邏輯運算、數據存儲、整流器開關等方面有潛在的應用。更重要的是，“存算一體”是多功能器件的一個具體的發展方向。傳統馮諾依曼架構的計算機，由于計算和存儲單元分離，其運輸速率和能耗存在瓶頸。我們設計的半浮柵器件作為同時具有計算和存儲功能的結構單元，可能為突破馮諾依曼架構的下一代計算機設計鋪平道路。
相關論文發表在Nano Letters上，南京大學博士研究生吳昊為文章的第一作者， 嚴仲副教授和謝臻達教授為共同通訊作者。
論文英文原題： Multifunctional Half-Floating-Gate Field-Effect Transistor based on MoS2?BN?Graphene van der Waals Heterostructures
