在过去的半个多世纪，集成电路产业一直在晶体管微缩驱动下发展（“摩尔定律”）。然而，随着晶体管尺寸微缩难度的持续增加，性能提升的空间不断缩小，集成电路的发展逐渐进入“后摩尔”时代。在“后摩尔”时代，新型器件和电路功能将成为主要驱动力。
基于阻变器件的神经形态硬件是后摩尔时代新型技术的代表，具有类神经网络功能、存算一体和大规模并行计算的独特优势，有望突破冯•诺伊曼架构的固有瓶颈。长期以来，阻变器件面临着“电流-保留时间”的矛盾，即受限于金属导电细丝的固有特性，阻变器件状态的保留时间与操作电流成正相关关系，这恰好与其实际使用需求（长期非易失存储功能需要在较低的电流下实现以保证能耗优势，而短期易失选通功能则需要较大的打开电流来保证读出裕度）相违背。
针对上述问题，清华大学精密仪器系类脑计算团队提出基础单质半导体碲（Te）导电细丝的新型阻变器件技术，通过Te半导体导电细丝的生长/断裂实现器件的高/低电导切换。
图1. Te导电细丝阻变器件的阻变特性曲线和Te细丝透射电子显微图像
该设计利用Te半导体材料具有电化学活性、低熔点、低导热系数和低电导率的特点，反转了阻变器件状态的保留时间与操作电流的依赖关系。在微米尺度的器件里，长期非易失存储模式的操作电流可以低至几个微安量级（在纳米尺度的器件里可低至几十皮安），而短期易失选通模式的操作电流可以达到几个毫安量级。“电流-保留时间”关系的反转与Te导电细丝的使用密不可分：电化学生成的Te导电细丝相比于金属导电细丝电阻更大，相同电压下器件电流更低（低电导）；而在更大的电流下，Te导电细丝容易聚集焦耳热（低热导），使局部最高温度超过Te熔点（低熔点），从而使导电细丝再度被熔断，形成短期易失特性。这一性能成功破解了传统阻变器件中普遍面临的“电流-保留时间”矛盾，在同一个单器件上同时实现了能满足应用需要的存储和选通两种功能，并演示了“存储-选通”单元同质集成的可能性。
由于Te特有的电学-热学性质组合，利用Te导电细丝的阻变器件具有较大且独特的潜在优化空间，如电介质热导率优化、保护电极的功函数、电负性优化等。
图2. 基于Te导电细丝的同质集成1S1R单元及其阻变性能曲线
该研究成果近日发表于《自然•通讯》（Nature Communications）。清华大学精密仪器系2018级博士生杨逸飞、徐明坤和复旦大学芯片与系统前沿技术研究院博士后贾淑静为本文的共同第一作者。清华大学精密仪器系李黄龙副教授、裴京副研究员、机械工程系刘大猛副教授和北京电子信息科技大学段文睿副研究员为该文的共同通讯作者，该研究得到了国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程、北京市脑科学与类脑研究中心、科技部重点专项、北京市重大专项等的资助。
A new opportunity for the emerging tellurium semiconductor: making resistive switching devices
Yifei Yang, Mingkun Xu, Shujing Jia, Bolun Wang, Lujie Xu, Xinxin Wang, Huan Liu, Yuanshuang Liu, Yuzheng Guo, Lidan Wang, Shukai Duan, Kai Liu, Min Zhu, Jing Pei, Wenrui Duan, Dameng Liu & Huanglong Li
Nat. Commun., 2021, 12, 6081, DOI: 10.1038/s41467-021-26399-1
https://www.tsinghua.edu.cn/info/1181/87963.htm
1. 实验：非易失存储器、忆阻器、神经形态器件、新型器件集成工艺与电路设计、二维电子器件
2. 理论：纳米电子器件输运特性模拟、功能电子材料理论计算、新器件和新材料研究（磁、铁电、拓扑等）
精通所应聘的研究方向所需实验工具，有较强的沟通、理解、英文写作能力，近2-3年以第一作者发表过大类领域的高影响力文章，可独立开展课题。
li_huanglong@tsinghua.edu.cn
课题组围绕新型半导体信息器件和材料开展实验和理论研究。近3年来取得了阶段性成果：神经形态晶体管（实验，Adv. Mater. 2019）, 超陡亚阈值摆幅晶体管（理论，Adv. Mater. 2020），三维存储选通开关材料（理论，Nat. Commun. 2020），存算一体阻变器件（实验，Nat Commun. 2021）等。自有研究条件包括DFT计算软件CASTEP、VASP、ATK，计算服务器清华超算、无锡超算、UK超算，薄膜生长设备磁控溅射仪、脉冲激光沉积系统，器件测试平台半导体参数分析仪、探针台，材料表征设备原子力显微镜。学校拥有微纳加工公共平台。课题组PI为李黄龙副教授，依托清华大学类脑计算研究中心、北京脑科学与类脑研究中心等平台开展研究。
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