快科技 9 月 15 日消息，中国科学院半导体研究所科研人员研制出一种新型 " 铁电隧穿结 "，利用原子层间仅埃米级（不到 1 纳米）的微小滑移，即可让开关电阻相差约 1900 万倍，并反复开关超过 1000 亿次，为开发更省电、更耐用的存储与存算一体芯片提供了新路径。

铁电隧穿结可看作一个微型 " 三明治 "：上下两层是电极，中间夹着一层极薄的铁电材料。这层材料本为绝缘体，电子难以通过；但当厚度薄到一定程度后，电子就能像 " 穿墙 " 一样隧穿而过。

同时，铁电材料的极化方向可以翻转，方向一变，这堵 " 墙 " 的高低也随之改变：墙矮时电子容易通过、电流大，记作一种状态；墙高时电子难以通过、电流小，记作另一种状态。两种状态电阻差别越大，数据读出就越准确。

然而，长期困扰学界的是，大电阻差与耐反复读写往往难以兼得。传统铁电材料 " 力气大 "，能让电阻差别很明显，但反复开关后容易 " 疲劳 "，寿命有限。

新型二维滑移铁电材料则相反，它依靠原子层之间极微小的错动来改变状态，几乎不磨损，能反复开关超过 1000 亿次，比传统材料耐用得多，但极化信号弱、电阻变化不明显，数据读起来费劲。

此次，中国科学院半导体研究所吴江滨研究员、谭平恒研究员团队与香港大学汪涵教授团队合作，在器件中引入三种关键功能层：氮化硼像一道均匀的 " 薄墙 "，减少漏电并提供稳定隧穿势垒；二维滑移铁电材料像可滑动的 " 闸门 "，原子层一错动就能调控这道墙的高低；单层石墨烯则像灵敏的 " 感受器 "，能察觉变化并调节穿过墙的电子数量。

三者配合产生 " 四两拨千斤 " 的效果，把微弱的极化变化转化为巨大的电阻差别。

实验数据显示，在 0.5 伏读取电压下，这种器件的电阻开关比达到 1.9 x 10^7，比此前同类器件提高超过 4 个数量级。

它还能承受超过 1000 亿次开关，开态电流密度达每平方厘米 222 安培，并能在脉宽低至 13 纳秒的极短电压脉冲下可靠切换。

研究团队表示，这项成果同时兼顾了高读出信号、高耐久性、大电流、快速切换和低能耗，突破了铁电隧穿结长期存在的瓶颈。

未来，随着大规模阵列和配套电路完善，这类器件有望用于更高密度、更低功耗的存储和存算一体芯片，让手机、电脑在有限电量下承担更复杂的计算任务。

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责任编辑：鹿角