二硫化铌钼硫异质结存储器性能突破

随着机器学习、物联网等数据密集型应用的爆发，传统冯·诺依曼架构面临的算力瓶颈日益凸显，存内计算成为突破这一限制的关键路径。在众多探索材料中，二维过渡金属硫族化合物（TMDC）半导体因其原子级厚度、层依赖能带结构及优异电学性能而备受瞩目。特别是单层二硫化钼（MoS2），拥有1.8 eV的直接带隙和高达10^8的开关电流比，被视为理想半导体材料。然而，二维材料与常规三维电极接触界面质量差导致的巨大接触电阻，严重制约了其器件性能的发挥。尽管基于TMDC异质结的金属-半导体结可通过费米能级钉扎缓解和肖特基势垒调制来降低接触电阻，但如何在保证高质量生长的同时实现可扩展的晶圆级制造，仍是行业面临的重大挑战。

针对这一难题，研究团队提出了一种结合金属有机化学气相沉积（MOCVD）与硫化工艺的创新方法，成功在晶圆尺度上制备出图案化的二硫化铌（NbS2）-二硫化钼异质结。该工艺流程首先通过MOCVD在蓝宝石衬底上生长单层MoS2，随后转移至硅/二氧化硅基底并进行光刻干法刻蚀以定义沟道。接着，蒸镀3纳米厚的铌层并进行硫化处理，原位生成二维NbS2接触层。这种两步法不仅实现了高质量晶体生长，还通过图案化设计控制了结的形成与载流子传输，为高性能器件集成提供了可行方案。

结构表征证实了异质结的高品质。原子力显微镜（AFM）显示硫化后的NbS2表面平滑，厚度约12纳米；拉曼光谱在339 cm⁻¹和380 cm⁻¹处出现强峰，确认为2H相NbS2，且X射线光电子能谱（XPS）未发现残留金属铌信号，表明硫化完全。更为关键的是，异质结界面呈现出清晰的原子级结合，NbS2以六方排列垂直堆叠在MoS2晶格之上，无明显缺陷或范德华间隙，确保了高效的电子耦合。

电学测试结果显示，该异质结显著提升了器件性能。与传统Ti/Au三维接触相比，NbS2-MoS2异质结的接触电阻降低了一个数量级（从4.9 kΩ·μm降至440 Ω·μm）。在室温下，采用二维NbS2接触的场效应晶体管（FET）导通电流较纯MoS2器件提升高达九倍，有效迁移率达到77 cm² V⁻¹ s⁻¹。在5×4毫米²的区域内，144个FET阵列的设备良率高达95.8%，开态电流变异系数仅为17.4%，证明了该工艺在厘米尺度上的高度均匀性和可扩展性。

基于此异质结，研究团队进一步构建了浮栅场效应晶体管（FGFET）非易失性存储器。器件结构中引入5纳米铂层作为浮栅，夹在270纳米厚的阻挡氧化物和7纳米厚的隧道氧化物之间。测试表明，该存储器具有13.8 V的大编程窗口，开关电流比达到10^7，比纯MoS2器件高出两个数量级。通过施加极化和去极化脉冲，器件能够实现电导率的、连续调制，展现出多电平数据存储潜力。耐久性测试显示，器件可承受超过60,000次编程脉冲，且估算的数据保持时间约为19年。

器件仿真进一步证实，在适当控制氧化物缩放的条件下，即使栅极长度缩小至100纳米以下，长沟道器件约14 V的大编程窗口仍能得以维持。这一成果不仅解决了二维半导体接触电阻高的痛点，更为高性能、低功耗的存内计算和下一代非易失性存储器提供了极具应用前景的材料平台与工艺路线。