Транзисторы на основе кремниевых технологий характеризуются значительным рассеянием мощности. Однако масштабирование кремниевых транзисторов не удается при длине затвора менее 5 нм из-за эффектов короткого канала. Требуемая высокая плотность синапсов не позволяет использовать устройства на основе кремния для нейроморфных приложений. Существует широкое разнообразие устройств электрически стираемой энергонезависимой памяти с различными электронными архитектурами, среди них транзисторы с плавающим затвором представляют наибольший интерес для исследователей. В настоящей работе рассмотрен транзистор с плавающим затвором на основе ван-дер-ваальсового гетероперехода графен/h-BN/MoS2, построена многомасштабная модель устройства и осуществлена ее реализация. С использованием DFT-методов (Density Functional Theory) изучены физические свойства гетероструктуры. Для исследования передаточных характеристик использована модель Шичмана - Ходжеса. Показано, что плавающий затвор заряжается за счет туннельного эффекта Фаулера - Нордгейма и прямого туннелирования. Проведенные расчеты показали, что представленное устройство имеет высокое быстродействие (при напряжении на затворе 9 В время записывания составляет 50 нс). Окно памяти может быть настроено изменением диапазона развертки напряжения на управляющем электроде. Кроме того, устройство демонстрирует особенности биологического синапса, такие как импульсное потенциирование и пластичность, которые выражаются в возможности настраивать проводимость канала электрическим импульсом, подаваемым на затвор. Эти функции являются важными для процесса обучения и, таким образом, открывают возможности для использования транзистора для нейроморфных приложений.
-
Ключевые слова:
DFT-расчеты, мемристор, транзистор с плавающим затвором, синаптическая пластичность
-
Опубликовано в разделе:
Элементы интегральной электроники
-
Библиографическая ссылка:
Мефтахутдинов Р. М. Моделирование транзистора с плаваю- щим затвором на основе ван-дер-ваальсового гетероперехода графен/h-BN/MoS2 // Изв. вузов. Электроника. 2024. Т. 29. № 4. С. 478–488. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-4-478-488. – EDN: CRYZZG.
-
Источник финансирования:
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (проект FNRM-2022-0008).
Мефтахутдинов Руслан Максутович
Ульяновский государственный университет (Россия, 432700, г. Ульяновск ул. Льва Толстого, 42); НПК «Технологический центр» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1, стр. 7)
- Two-terminal floating-gate memory with van der Waals heterostructures for ultrahigh on/off ratio / Q. A. Vu, Y. S. Shin, Y. R. Kim et al. // Nat.Commun. 2016. Vol. 7. Art. No. 12725. DOI: 10.1038/ncomms12725
- A reliable all-2D materials artificial synapse for high energy-efficient neuromorphic computing /j. Tang, C. He, J. S. Tang et al. // Adv. Funct. Mater. 2021. Vol. 31. Iss. 27. Art. No. 2011083. DOI: 10.1002/adfm.202011083 EDN: BZVBMV
- A high-performance MoS2 synaptic device with floating gate engineering for neuromorphic computing / P. Tathagata, A. Tanweer, K. T. Krishna et al. // 2D Mater. 2019. Vol. 6. No. 4. Art. No. 045008. DOI: 10.1088/2053-1583/ab23ba
- Controlled charge trapping by molybdenum disulphide and graphene in ultrathin heterostructured memory devices / M. Sup Choi, G.-H. Lee, Y.-J. Yu et al. // Nat.Commun. 2013. Vol. 4. Art. No. 1624. DOI: 10.1038/ncomms2652
- MoS2 transistors with 1-nanometer gate lengths / S. B. Desai, S. R. Madhvapathy, A. B. Sachid et al. // Science. 2016. Vol. 354. Р. 99-102. DOI: 10.1126/science.aah4698 EDN: XTPCZF
- Zhang C., Hasan S. M. R. A new floating-gate MOSFET model for analog circuit simulation and design // Analog Integr. Circ. Sig. Process. 2018. Vol. 101. P. 1-11. DOI: 10.1007/s10470-018-1374-3 EDN: EEOFNP
- QuantumATK: an integrated platform of electronic and atomic-scale modelling tools / S. Smidstrup, T. Markussen, P. Vancraeyveld et al. // J. Phys.: Condens. Matter. 2019. Vol. 32. No. 1. Art. No. 015901. DOI: 10.1088/1361-648X/ab4007
- The PseudoDojo: Training and grading a 85 element optimized norm-conserving pseudopotential table / M. J. van Setten, M. Giantomassi, E. Bousquet et al. // Comput. Phys.Commun. 2018. Vol. 226. P. 39-54. DOI: 10.1016/j.cpc.2018.01.012
- Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 77. P. 3865-3868. DOI: 10.1103/PhysRevLett.77.3865
- Grimme S., Antony J., Ehrlich S., Krieg H. A consistent and accurate ab initio parametrization of density functional dispersion correction (DFT-D) for the 94 elements H-Pu //j. Chem. Phys. 2010. Vol. 132. Iss. 15. Art. No. 154104. DOI: 10.1063/1.3382344
- Heyd J., Scuseria G. E., Ernzerhof M. Hybrid functionals based on a screened Coulomb potential //j. Chem. Phys. 2003. Vol. 118. Iss. 18. P. 8207-8215. DOI: 10.1063/1.1564060
- Heyd J., Scuseria G. E., Ernzerhof M. Erratum: "Hybrid functionals based on a screened Coulomb potential" [J. Chem. Phys. 118, 8207 (2003)] //j. Chem. Phys. 2006. Vol. 124. Iss. 21. Art. No. 219906. DOI: 10.1063/1.2204597
- Schuegraf K. F., Hu C. Hole injection SiO /sub 2/ breakdown model for very low voltage lifetime extrapolation // IEEE Transactions on Electron Devices. 1994. Vol. 41. Iss. 5. P. 761-767. DOI: 10.1109/16.285029
- Kolodny A., Nieh S. T. K., Eitan B., Shappir J. Analysis and modeling of floating-gate EEPROM cells // IEEE Transactions on Electron Devices. 1986. Vol. 33. Iss. 6. P. 835-844. DOI: 10.1109/T-ED.1986.22576
- Liu H., Neal A. T., Ye P. D. Channel length scaling of MoS2 MOSFETs // ACS Nano. 2012. Vol. 6. Iss. 10. P. 8563-8569. DOI: 10.1021/nn303513c EDN: RMPGAJ