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客户成果丨河南师范大学《ACS AMI》：一种用于光电协同人工突触的可靠的基于Zrs2本征氧化的高性能浮栅晶体管

浮栅晶体管被认为是三端范德瓦尔斯突触晶体管中最有前途的结构，具有较长的数据保留时长，优异的耐用性和多比特存储能力等优势，从而克服了传统计算架构中的冯-诺伊曼瓶颈。然而，浮栅晶体管器件中的介电层通常依赖于原子层沉积或机械转移绝缘体，这在器件兼容性、制造复杂性和性能下降方面提出了一些挑战。因此，发现与二维材料兼容的电介质对于进一步简化浮栅晶体管结构和实现最佳性能至关重要。

为了解决以上问题，河南师范大学物理学院的闫勇副教授和刘玉芳教授研究了将二维半导体ZrS2转化为ZrOx的最佳氧化条件，利用部分氧化的ZrS2（ZrOx/ZrS2异质结构）制备MoS2/ZrOx/ZrS2范德瓦尔斯浮栅晶体管。相关成果以“A Reliable High-Performance Floating-Gate Transistor Based on ZrS2 Native Oxidation for Optoelectronic Synergistic Artificial Synapses”为题发表在国际著名期刊《ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES》上。

图1 浮栅晶体管记忆器件的结构和材料表征。（a）浮栅晶体管的三维结构，其中MoS2为沟道，ZrOx为隧穿层，ZrS2为浮栅层。（b）MoS2/ZrOx/ZrS2晶体管的光学显微镜图。（c）MoS2/ZrOx/ZrS2晶体管的原子力显微镜图，其中沟道MoS2的厚度为5 nm，ZrOx/ZrS2层的厚度为20 nm。（d）在370 °C下加热1h的ZrS2材料XPS O 1s轨道的结果图。（e）ZrS2材料在370 °C加热前后的Raman结果。（f）MoS2/ZrOx/ZrS2浮栅晶体管从−80 V到80 V的转移曲线（Vds = 1.0 V）。

通过将二维半导体材料ZrS2转化为其原生氧化物ZrOx，并将ZrOx/ZrS2与MoS2沟道结合，形成MoS2/ZrOx/ZrS2浮栅晶体管，实现了器件开关比高达107，记忆窗口宽101 V，保持时间长103 s，存储容量7 bit，PPF指数高达269.4 %，功耗低为5 pJ。特别是，该器件在光刺激下实现了信息存储和保证，与光遗传学中的突触重量调制具有高度一致性，并具有出色的光电存储性能。

图2 浮栅晶体管记忆装置对生物突触的模拟。(a) 突触前神经元的轴突末端和突触后神经元的树突之间的突触连接。(b) 辐照时间、激光功率与电流值的关系热图。(c) 将光脉冲频率从0.05 Hz增加到1 Hz时，器件从STM到LTM的转变行为。(d) PPF比率与Δt的关系。(e) 128个连续光脉冲对器件的最大光编程能力。(f)浮栅晶体管存储器件的存储状态和PPF指数与最近报道的基于范德华瓦尔斯异质结构的存储器件的比较示意图。 (g) 连续施加405 nm的光脉冲模拟“学习-遗忘”曲线。(h) 应用405 nm的光脉冲实现信息编程，应用808 nm的光脉冲实现信息擦除。(i) 施加- 30 V, 1s的电脉冲实现信息编程，施加808 nm的光脉冲实现信息擦除。

在光电刺激下，该装置刺激各种生物突触行为，包括联想记忆功能和类人眼适应。这些结果表明，我们的工作为简化浮栅晶体管结构和提高其性能提供了一种新的有效方法，这可能会激发对二维材料自然氧化过程的进一步研究，从而发现与这些材料兼容的新型电介质，并推进用于神经形态计算的高效突触装置，在下一代多功能存储器件和系统中具有重要的应用潜力。

图3 浮栅晶体管记忆装置的联想学习和光适应的模拟。(a) 联想学习的神经回路图。(b) 通过电和光刺激模拟联想学习。(c) 在轻度光刺激下，光电流低于阈值，不会对眼睛造成伤害。(d) 在强光刺激下，光电流超过阈值，对眼睛造成伤害 (e)通过施加正电压脉冲（+80 V）使导致光电流低于阈值来适应强光的刺激。