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图 单栅极可重构MoTe2器件的掺杂机理和基本工作原理示意图
在国家自然科学基金项目（批准号：52388201、51972193）等资助下，清华大学材料学院刘锴副教授团队在二维可重构器件方面取得进展，相关研究成果以“可编程梯度掺杂用于可重构碲化钼器件（Programmable graded doping for reconfigurable molybdenum ditelluride devices）”为题，于2023年11月14日发表在《自然•电子学》（Nature Electronics）杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-023-01056-1。
随着集成电路制程节点进入亚10纳米，传统晶体管受到短沟道效应等限制，器件尺寸进一步缩小日渐困难。为了不实际缩小器件尺寸而继续获得缩放的性能优势，人们提出了可重构晶体管的概念。可重构晶体管可以在单个晶体管器件上实现多种自由切换的功能，因此能够减小器件的有效线宽，提升系统的集成度。然而，硅基晶体管仅能通过控制电路和附加的存储单元实现芯片层级的可重构性，导致系统复杂性升高和制造成本增加。因此，发展新型可重构器件及其关键材料成为集成电路领域发展的迫切需求。以过渡金属硫族化物为代表的二维半导体材料拥有原子级厚度和易被外场调控的电学性能，具有实现晶体管可重构功能的巨大优势。但是，低结构复杂度的器件，如单栅极器件，仅能实现两种或三种可重构功能；为了实现三种以上的可重构功能，人们发展出多栅极器件和离子型栅极器件，但多栅极或异质材料的引入又不可避免地增加了系统复杂性和制造成本。因此，如何在低结构复杂度的器件上实现丰富的可重构功能，仍然是极具挑战性的难题。
针对上述关键问题，刘锴团队以双极性的二碲化钼（MoTe2）作为沟道材料，基于“有效栅压”调控的沟道梯度掺杂机制，在结构简单的单栅极晶体管中实现了迄今报道的最为丰富的可重构功能。其基本原理是在二维MoTe2器件两侧同时施加大源漏电压和大栅压，使得在沿沟道方向上引入梯度分布的有效栅压，从而精准控制沟道表面的气体吸脱附，实现MoTe2沟道的梯度掺杂和极性调控，进而实现器件的多种可重构功能，包括极性可调的二极管、存储器、逻辑存储器、三端人工神经突触等8种功能（图）。作为二极管，它的整流比高达104；作为人工神经突触，其对异突触元可塑性的调制功耗低至7.3 fW。
该研究指明了有效栅压和梯度掺杂对二维半导体材料和器件性能的重要影响，为高性能、多功能二维可重构器件的构建提供了全新的思路。