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研究简介
存内计算利用存储器进行原位计算，因此有望突破由于数据移动带来的时延与功耗瓶颈。α-In2Se3、和AgSiP2Se6等层状铁电半导体结合了原子级厚度的半导体用于小尺寸逻辑的优势和铁电性用于非易失性存储器的优势。这些半导体为存内计算提供了理想的平台。利用层状铁电半导体作为通道，可以在双端或者三端器件中实现逻辑、内存和神经形态计算功能。这些器件中的多种电导状态为逻辑和内存的集成提供了物理基础。在这种情况下，实现精确的电导调制就变得至关重要。然而，铁电沟道场效应晶体管（FeCFET）中的电导受到铁电极化状态的强烈影响。这种极化-电导耦合出现在铁电沟道内部，与常见的铁电场效应晶体管（FeFET）中不同功能区之间的耦合显著不同。要实现基于各种层状铁电半导体的逻辑和存储器件的功能和性能优化，就必须回答沟道极化如何影响电导这一根本问题。
图1 双栅极α-In2Se3铁电半导体沟道晶体管
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研究内容
作者基于密度泛函理论计算与量子输运模拟，解析了层状铁电半导体α-In2Se3中极化相关电导率的两种基本机制：隐性Stark效应导致的非对称导电通路（图1）和栅极外场诱导的电势重分布（图2）。在这里，作者运用了QuantumATK的能带计算与投影功能来分析不同极化状态下内建电场对铁电半导体能带的影响，运用了QuantumATK计算电势分布、态密度、透射系数等功能研究了器件的输运性质。在文章中，作者后续的实验测试结果进一步验证了这两大机制。
图2. 层状铁电半导体中的隐性斯塔克效应导致非对称导电通路的形成
图3. 相对于栅极的铁电极化方向决定的电势重分布
在理清了极化与电导之间的耦合规律之后，作者提出了精确控制双栅极铁电沟道场效应晶体管的导电阈值的两大策略，即控制导电通道位置或者氧化物厚度，并实现了多种自切换存内逻辑功能。
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参考文献
Quhe, R., Di, Z., Zhang, J. et al. Asymmetric conducting route and potential redistribution determine the polarization-dependent conductivity in layered ferroelectrics. Nat. Nanotechnol. 19, 173–180 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41565-023-01539-4
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