自從集成電路發明以來，晶體管尺寸的不斷微縮推動信息時代飛速發展。但是，随着制程節點進入亞10納米，傳統矽基場效應晶體管由于受到短溝道效應等限制，器件尺寸進一步縮小日漸困難。在後摩爾時代，為了不實際縮小器件尺寸而繼續獲得縮放的性能優勢，人們提出了可重構晶體管的概念。可重構晶體管可以在單個晶體管器件上實現多種自由切換的功能，因此能夠減小器件的有效線寬，擴展集成電路的功能，提升系統的集成度。然而，矽基晶體管難以實現單器件層級的可重構性；雖然可以通過控制電路和附加的存儲單元實現芯片層級的可重構性，但是這些附加電路和存儲單元導緻系統複雜性升高、集成度下降、制造成本增加。因此，發展超越矽基的新型可重構器件成為集成電路領域發展的迫切需求。

以過渡金屬硫族化物（TMDCs）為代表的二維半導體材料擁有原子級厚度、無懸挂鍵的層狀結構和易被外場調控的電學性能，具有實現晶體管器件可重構功能的巨大優勢。為了構建二維可重構器件，需要對二維半導體溝道材料進行可逆摻雜；為了進一步實現更多的可重構功能，則需要對可逆摻雜位點進行局域精細化調控。這使得器件的結構複雜度與可重構功能的豐富性之間存在天然的矛盾。低結構複雜度的器件，如單栅極可重構器件，僅能實現兩種或三種可重構功能；為了實現三種以上的可重構功能，人們發展出多栅極器件和離子型栅極器件，但多栅極或異質材料的引入又使得二維可重構器件像矽基可重構器件面臨的困境一樣，不可避免地增加了系統複雜性和制造成本。因此，如何在低結構複雜度的器件上實現豐富的可重構功能，仍然是極具挑戰性的難題。

針對上述關鍵問題，beat365劉锴課題組以雙極性的二碲化钼（MoTe₂）作為溝道材料，基于“有效栅壓”調控的溝道梯度摻雜機制，在結構簡單的單栅極晶體管器件中實現了迄今報道的最為豐富的可重構功能。其基本原理是在二維MoTe₂器件兩側同時施加大源漏電壓和大栅壓，使得在沿溝道方向上引入梯度分布的有效栅壓。該有效栅壓能精準控制溝道表面的氣體吸脫附，從而實現雙極性MoTe₂溝道的梯度摻雜和極性調控。通過控制在重構過程中施加的源漏電壓和栅極電壓，可以在溝道中引入不同的梯度摻雜分布，從而實現器件的多種可重構功能，包括極性可調的二極管、存儲器、邏輯存儲器、三端人工神經突觸等豐富的功能（圖1）。

圖1.單栅極可重構MoTe₂器件的摻雜機理和基本工作原理

開爾文探針力顯微圖像顯示，通過精确調控的梯度摻雜，可以分别将可重構MoTe₂器件重構為np結和pn結、p摻雜和n摻雜四種狀态，從而實現極性可調的二極管功能和存儲器功能。在二極管狀态下，器件的整流比可達104，并且擁有光電探測能力。作為存儲器，器件擁有約25V的存儲窗口，存儲比超過103，保持時間超過36h（圖2）。

圖2.基于有效栅壓調控的梯度摻雜實現極性可調的MoTe₂二極管和存儲器

生物可塑性是生物學習和記憶的基礎。該研究報道的可重構MoTe₂器件可以作為人工神經突觸，模拟生物突觸的多種可塑性功能（包括生物同突觸可塑性、異突觸可塑性的穩态功能和異突觸元可塑性功能），這對構建高穩定性、強特異性的新型人工神經網絡十分有利。在模拟生物異突觸元可塑性時，該器件同時擁有低至7.3fW的調制功耗，優于之前報道的擁有元可塑性的二維人工神經突觸（圖3）。

圖3.基于有效栅壓調控的梯度摻雜模拟生物同突觸可塑性、異突觸可塑性的穩态功能和異突觸元可塑性功能

研究人員進一步展示了可重構MoTe₂器件的連續重構能力。該器件可以在多種可重構功能之間連續切換，并且在經過100次的重構後，依然保持性能穩定（圖4）。

圖4.可重構MoTe₂器件的連續可重構操作

該研究深化了人們對二維半導體材料和器件中有效栅壓和梯度摻雜概念的理解，解決了可重構器件的低結構複雜度與豐富的可重構功能之間的矛盾難題，為高性能、多功能二維可重構器件的構建提供了全新的思路。

相關成果以“可編程梯度摻雜用于可重構碲化钼器件”（Programmable graded doping for reconfigurable molybdenum ditelluride devices）為題，近日在線發表在國際著名期刊《自然·電子學》（Nature Electronics）上。

beat3652019級博士生彭瑞軒為論文第一作者，劉锴副教授為論文通訊作者。論文的其他重要合作者包括清華大學物理系範守善院士，複旦大學微電子學院周鵬教授，beat365宋成教授、王琛副教授，香港科技大學範智勇教授，beat3652019級博士生吳永煌、博士後石潤等。該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的支持。

論文鍊接：

https://www.nature.com/articles/s41928-023-01056-1