科学家提出构建可重构器件新方法，兼具二极管功能和存储器功能
从 1999 读本科至今，物理和材料始终是刘锴身上如影随形的两个“标签”。自 2015 年入职清华大学担任副教授以来，他便一直致力于研究低维材料。
图 | 刘锴（来源：刘锴）
近日，他和团队基于双极性二碲化钼（MoTe2）二维半导体沟道材料，提出一种基于沟道梯度掺杂机制的二维可重构器件构建新方法。
（来源：Nature Electronics）
采用这种方法可以控制沟道材料上的气体吸脱附，从而能在结构最简单的单栅极可重构器件上，实现丰富的可重构功能。
通过此，可以解决二维可重构器件低结构复杂度、与丰富的可重构功能之间的矛盾难题。
同时，在结构复杂度不变的情况下，可以极大拓展器件的可重构功能，预计将在电子学领域产生重要影响。
同时，这将给其他可重构器件带来借鉴意义，并展示了通过与硅基芯片结合从而发展多功能芯片的潜力。
当前，集成电路的微缩化挑战正在不断增加。而本次提出的基于梯度掺杂的可重构器件，让每个晶体管都拥有可重构的特性。
未来，假如使用这款可重构器件来制作集成电路，就有望实现高灵活性、高性能、多功能的新型芯片。
这样的芯片不仅能承担逻辑运算任务以及实时地存储计算结果，还能通过光来感知外界，同时也能模拟人脑的学习和遗忘等功能。
进一步地，通过先进的封装技术，可以把这类芯片与硅基芯片结合，充分发挥各自的长处，为下一代计算架构提供坚实基础。
届时，这类芯片将有希望在诸如人工智能、物联网和可穿戴器件等领域发挥关键作用。
硅基可重构器件之困境
自从集成电路发明以来，信息技术的发展主要依赖于集成电路上晶体管的尺寸不断缩小。但是，如今晶体管的尺寸已经接近物理极限，继续微缩化变得愈发困难。
于是，人们开始研究一类特殊的半导体器件——可重构晶体管。可重构晶体管的特点是：在单个晶体管上可以实现多种电学功能，并且可以在这些功能之间切换。
如果集成电路上的每个晶体管都拥有这样的可重构能力，那么整个电路的功能就能得到极大扩展，从而在无需继续微缩晶体管尺寸的前提下，进一步提升电路的有效集成度。
但是，目前主流的集成电路是以硅为基础的，而单个硅基晶体管无法实现上述可重构能力。
尽管通过附加电路和外加的存储单元，有一些硅基芯片能在芯片层级实现可重构性。但是，这些外加的电路和单元又会导致系统复杂度和制作成本的上升。
因此，人们十分期待通过发展可以超越硅基的器件，来打造新型的可重构器件。
多年来，围绕以过渡金属硫族化物（TMDCs，transition metal dichalcogenides）为代表的二维半导体材料，刘锴课题组开展了多项研究。
这是一类拥有天然超薄层状结构的材料，它们具有优异的电学性能，而且可以被有效地调控。
但是，要想构建二维的可重构器件，就要对二维半导体沟道材料进行可逆的掺杂。如果要进一步实现更多的可重构功能，还需要对可逆掺杂的位置，进行局域化和精细化的调控。
之前，已有其他科研团队报道过二维可重构器件。在这些成果之中，相关学者采用了不同的可逆掺杂方法。其中，栅极调控是被用于调控掺杂的最常见手段。
据了解，单栅极可重构器件是一种最简单的可重构器件，这类器件通过单个栅极控制整个或部分沟道的掺杂。虽然结构比较简单，但是只能实现两种或三种的可重构功能。
想要实现更多的功能，就需要构建更多的栅极，从而让每个栅极分别调控一部分沟道。尽管多栅极可重构器件可以实现三种以上的可重构功能，但是多个栅极会导致器件的结构复杂度提升。
另一种增加可重构功能的思路是引入其他异质材料，但这同样会导致器件变得复杂。
总的来说，在二维可重构器件上，硅基可重构器件面临的困境再次出现：即为了实现更多的功能，不可避免地要增加系统复杂性和制造成本。
在这种情况之下，刘锴课题组开展了本次研究。
（来源：Nature Electronics）
100 次重构之后仍能保持性能稳定
激光直写，是一种通过激光照射到物质上产生的光热效应，利用局域化加热沟道，从而实现沟道性质调控的方法。一开始，他们计划使用激光直写技术，在二碲化钼沟道上制作器件。
此前，该团队在激光直写二维材料和器件上，积累了不少研究成果。然而，在开展本次课题的过程中，他们遇到了一些技术难题。
于是他们改变思路尝试使用焦耳热，代替激光热效应的调控沟道。之所以这样做是因为，预计焦耳热会更稳定、更快速。
关于此刘锴表示：“我们最开始的想法也比较简单，没有考虑太多半导体物理上的机制。焦耳热的引入方法是通过输入较大的源漏电压，根据最直观的欧姆定律图像，源漏电压会引入电流，而这种电流是随电压线性增长的。”
但是在实际过程中，他们发现实验现象和原始预期存在较大偏差：即电流增长不仅不符合线性规律，而且会随时间快速衰退。
针对这一异常现象，通过长时间的实验和分析，他们发现了两个被忽略的因素：第一，大源漏栅压会引入大的有效栅压；第二，有效栅压会导致二碲化钼吸附空气里的水氧分子。
又经过一段时间的探索，课题组发现这两个被忽略的负面因素可以“化敌为友”。即利用有效栅压和气体吸附，就可以直接构建 np 结和 pn 结这两种二极管。
随后，他们开始转换实验目标：先是验证了构建二极管的可能性，实现了高性能的二极管。
而在发现气体吸脱附的影响之后，他们仅用一两个月就在器件上验证了本次构想，并成功获得高质量的二极管数据。然而，在北京干燥的冬季里，这款器件很快就被静电“打坏”。
在随后四五个月里，课题组一口气制备几十款器件来重复前面的结果。刘锴说：“重复实验常常让人十分煎熬，我们都希望能够重复之前的结果，甚至获得更高质量的数据，但是却常常不如人意。”
经过漫长的重复实验之后，在一个原本没有抱太大希望的样品上，之前的现象终于得到重复。
而在后续实验之中他们开始逐渐掌握实验规律，通过总结本次器件的构建思路，凝练出了梯度掺杂方法。
基于新的数据和经验，梯度掺杂机制也得到进一步完善，并能被拓展到更多功能之上。由于有了新的实验经验，后续的重复实验也变得愈发容易。
通过此，在同一款结构器件上他们把梯度掺杂用来构建存储器、神经形态器件、逻辑存储器，借此造出了这款功能丰富的可重构器件。
而本次器件之所以能在多种可重构功能之间连续切换，并能在经过 100 次的重构后依然保持性能稳定，是因为可重构碲化钼器件是基于气体吸脱附掺杂打造而来。气体吸脱附本身具有高度的可逆性，而梯度掺杂方法拥有较高的灵活性。
通过引入具有不同梯度的有效栅极电压，可以在同一个器件上引发不同的气体吸脱附状态，从而引入不同的沟道梯度掺杂分布，借此让器件具备切换到多种可重构功能。这时，通过连续施加不同的重构电压，就能在不同功能之间连续切换。
实现重构稳定性的关键在于，在气体吸脱附这一反复进行的过程中，沟道始终能够保持稳定。
这种稳定性要归功于如下几个原因：
其一，二维碲化钼材料本身在空气中十分稳定；
其二，由于选用厚度在 2-11nm 的少层碲化钼材料，而非采用单层材料，因此少层材料的稳定性比单层更好；
其三，梯度掺杂方法采用的电压比较小，不会导致沟道材料出现显著热效应，从而避免沟道材料产生不可逆的热氧化反应。
刘锴表示：“这个工作带给我们最深的感触就是，当一个工作的初始思路面临困境时，一定要深挖其中的原理，及时调整研究方向和内容。而一旦找准努力目标就要精心打磨。”
最终，相关论文以《用于可重构二碲化钼器件的可编程梯度掺杂》（Programmable graded doping for reconfigurable molybdenum ditelluride devices）为题发在 Nature Electronics（IF 34.3），清华大学博士生彭瑞轩是第一作者，刘锴担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Nature Electronics）
与此同时，同期 Nature Electronics 还发表了评论文章[3]，着重介绍了本次器件的高性能和高可重构能力。
接下来，刘锴和团队将延续梯度掺杂的思路，探索其他结构和机理的可重构器件，力图提升可重构器件的各项性能，扩展器件的其他可重构功能。同时还将探索可重构器件的阵列化应用，进一步展示梯度掺杂方法的潜力与前景。
参考资料：
1.Advanced Materials 2021, 33, 2102435; ACS Nano 2021, 15, 10502
2.Peng, R., Wu, Y., Wang, B. et al. Programmable graded doping for reconfigurable molybdenum ditelluride devices. Nat Electron 6, 852–861 (2023). https://doi.org/10.1038/s41928-023-01056-1
3.Nature Electronics 2023, 6, 797