场效应晶体管类似于水龙头，具有开关特性。它利用电场效应控制晶体管沟道电导，实现电流的开关，是典型的三端（源极、漏极和栅极）电子器件，自诞生经过近八十年的发展已成为现代电子工业的基石。
在场效应晶体管中，铁电场效应晶体管的区别在于开关特性的电学滞回，具有电学开关与信息存储的双重功能，是集成电路的重要基本元器件，在低功耗、存算融合的人工智能芯片方面具有重要应用潜力。目前，铁电场效应晶体管主要基于金属—绝缘体—半导体结构，如图1A所示，根据铁电材料在器件中的功能，可分为两类：一类以铁电材料作为栅介质；另一类则以铁电半导体直接作为沟道。两类器件均展现出优异的非易失型信息存储特性，相应存储的工作机理均建立在铁电极化电荷对沟道载流子调控的基础上，目前是应用物理领域的前沿研究。
图1.传统铁电场效应晶体管与本文提出的铁电结型场效应晶体管（Fe-JFET）结构示意图。
与此不同，结型场效应晶体管（Junction field-effect transistor, JFET）基于n型与p型半导体异质结，利用栅极电场调控异质结空间电荷区的扩展或收缩，进而改变结区的能带弯曲和耗尽宽度，调控沟道载流子输运，最终实现电学信号的开关运算。作者团队大胆想象，能否在此类器件的耗尽区引入极化电荷，既保证结区电流的开关特性，又实现电学开关的滞回效应，从而实现一种全新的铁电存储器件。
带着此设想，作者团队克服高质量异质界面构筑、结区漏极电流大等挑战，经过几年攻关，成功实现铁电极化对异质结界面电输运开关特性的调控，并提出了一种全新的铁电结型场效应晶体管存储器件（ferroelectric junction field-effect transistor, Fe-JFET）。图1B展示了这种新型器件结构。该器件中，p型SnSe高导电率半导体材料是结区的栅极，n型铁电半导体α-In2Se3同时作为铁电功能层与导电沟道并连接源极和漏极。无需额外的有源栅介质，铁电极化直接参与p–n结耗尽区能带的调控，进而控制α-In2Se3沟道中的横向载流子输运，实现晶体管开关特性的滞回效应。最终将结型晶体管的栅控功能与铁电极化的非易失特性结合在同一器件。器件表现出105的开关特性、1.8 V的滞回窗口和100 ns的存储速度。
建立起铁电结型晶体管的概念和执行完电学系统表征后，研究团队进一步深入分析了器件工作机制。如图2所示，对同一器件执行原位压电力显微镜（PFM）和开尔文探针力显微镜（KPFM）测量，研究人员直接观察了不同极化编程电压作用后α-In2Se3极化方向及表面电势的变化。PFM结果显示，施加不同极性的栅极化电压后，α-In2Se3铁电极化发生明显翻转；KPFM测量则显示，两种极化状态之间对应约900 meV的电势变化，反映出铁电极化对SnSe/α-In2Se3结势垒的显著调制。
阻变滞回的物理图像如下所述。当α-In₂Se₃处于向上极化状态时，异质界面附近的正极化束缚电荷使p–n结的耗尽宽度减小、势垒降低，从而在SnSe结栅下方保留较大的有效导电区域，电子能够沿α-In2Se3沟道输运，器件处于存储的低阻导通状态；当极化翻转为向下状态时，界面负极化束缚电荷使耗尽区进一步向α-In2Se3内部扩展，同时抬高结势垒，压缩有效导电区域并抑制沟道电流，使器件转变为存储的高阻关闭状态。由于铁电极化在撤去外场后仍能够保持，相应的结势垒和耗尽状态也得以保留，从而实现非易失的沟道开关特性的调控。第一性原理计算进一步显示，铁电极化翻转能够引起SnSe与α-In2Se3相对能带位置的显著变化，与实验观察到的势垒调制相一致。因此，铁电极化对p–n结能带排列、势垒高度和耗尽宽度的协同调控，是实现铁电结型晶体管开关与非易失存储功能耦合的核心工作机制。
图2.铁电结型晶体管的工作机制分析。铁电极化翻转调控SnSe/α-In2Se3 p–n结的势垒和耗尽宽度，从而实现沟道导通与关闭状态的非易失切换。
近期，相关研究成果以“A ferroelectric junction transistor memory made from switchable van der Waals p-n heterojunctions”为题发表于国际学术期刊《Matter》(Cell杂志姊妹刊)。第一作者是浙江大学物理学院联合培养学生王宝玉和邹瓴睿，论文第一单位为浙江大学物理学院，温州大学张礼杰教授、沙特阿卜杜拉国王科技大学张西祥教授、浙江大学常凯院士和薛飞研究员为通讯作者。合作者包括浙江大学吴振华教授、俞滨教授和西安电子科技大学刘艳教授、韩根全教授、罗拯东教授等。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、宁波市重点研发计划以及中央高校基本科研业务费等项目的支持。
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238526003954
