IF 15.8！通过一步转移范德华电介质和电极实现基于二维晶体管的无电容器动态随机存取存储器

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动态随机存取存储器（DRAM）一直是现代计算的基石，但随着技术的不断缩小，它面临着挑战，特别是由于存储电容的减少与关断电流的增加之间的不匹配。无电容器的2T0C DRAM架构被认为具有提供更高面积效率和降低刷新率要求的潜力，因为它消除了传统电容器。二维（2D）材料的探索进一步增强了缩放的可行性，尽管缺乏悬挂键使得高质量电介质的沉积变得复杂。本文提出了一种六方氮化硼（h-BN）辅助的一步转移范德华电介质和电极的方法，用于具有清洁界面的2D晶体管。通过氧化铝（Al）形成的转移氧化铝（Al2O3）表现出优异的平整度和均匀性，保留了2D半导体的本征特性，而不会引入掺杂效应。MoS2晶体管表现出极低的界面陷阱密度（约3 × 10^11 cm^–2 eV^–1）和低至10^–7 A cm^–2的漏电流密度，从而在栅极堆栈中实现了有效的电荷存储。该方法允许同时制造两个无损伤的MoS2晶体管，形成一个无电容器的2T0C DRAM单元，增强了与2D材料的兼容性。超低漏电流优化了数据保留和功率效率。所制造的2T0C DRAM表现出20 ns的快速写入速度、超过1,000秒的长数据保留时间以及每次写入操作约0.2 fJ的低能耗。此外，它还展示了3位存储能力以及在多次写入/擦除循环中的卓越稳定性。

创新点

1. 通过h-BN辅助的一步转移方法，实现了高质量范德华电介质和电极的集成，简化了2D晶体管的制造过程。

2. 采用无电容器的2T0C DRAM架构，显著提高了面积效率并降低了刷新率要求。

3. MoS2晶体管表现出极低的界面陷阱密度和漏电流，优化了电荷存储和数据保留性能。

4. 所制造的2T0C DRAM具有20 ns的快速写入速度和每次写入操作约0.2 fJ的低能耗，显著提升了性能。

5. 2T0C DRAM展示了3位存储能力以及在多次写入/擦除循环中的卓越稳定性，为高密度存储提供了新的解决方案。

科研工作启发

1. 通过一步转移范德华电介质和电极的方法，为2D材料在电子器件中的应用提供了新的思路。

2. 无电容器的2T0C DRAM架构在面积效率和刷新率方面的优势，为未来存储器设计提供了新的方向。

3. 通过优化界面陷阱密度和漏电流，显著提升了2D晶体管的性能，强调了界面工程在电子器件中的重要性。

4. 2T0C DRAM的3位存储能力和高稳定性为高密度存储提供了新的解决方案，推动了存储器技术的发展。

思路延伸

1. 探索其他2D材料在无电容器DRAM中的应用，以进一步扩展其功能和应用范围。

2. 通过设计和制备多功能范德华异质结，实现更多功能的电子器件，满足不同应用需求。

3. 通过深入研究界面工程，进一步优化2D晶体管的界面陷阱密度和漏电流，提升器件性能。

4. 基于2D材料的低功耗电子器件在物联网和可穿戴设备中的应用，为低功耗电子器件的发展提供了新的方向。

5. 进一步优化2T0C DRAM的存储密度和稳定性，为高密度存储器的发展提供新的解决方案。

6. 开发能够响应外部刺激（如光、温度、电场）的智能2D材料，实现更精准的电子器件控制。

在生物医学中的潜在应用

1. 基于2D晶体管的无电容器DRAM可以用于开发高灵敏度的生物传感器，用于实时监测生物标志物和生理信号。

2. 利用2D材料的柔性和低功耗特性，开发用于可穿戴医疗设备的电子器件，实时监测患者的健康状况。

3. 基于2D晶体管的电子器件可以用于开发神经接口，实现与生物神经系统的无缝连接。

4. 利用2T0C DRAM的高密度存储能力，开发用于医疗诊断的电子器件，实现快速、准确的疾病诊断。

5. 将2D材料应用于组织工程，促进细胞生长和组织再生，开发新型生物材料。

6. 基于2D材料的电子器件可以用于开发药物递送系统，实现药物的精准释放和控制。

Capacitorless Dynamic Random Access Memory with 2D Transistors by One-Step Transfer of van der Waals Dielectrics and Electrodes

ACS Nano (IF 15.8)

Pub Date  : 2025-01-10

DOI : 10.1021/acsnano.4c15750

Jianmiao Guo, Ziyuan Lin, Xiangli Che, Cong Wang, Tianqing Wan, Jianmin Yan, Ye Zhu, Yang Chai

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