基于α-In2Se3分裂栅铁电半导体场效应晶体管（FeS-FET）的逻辑功能与电路设计用于零信任应用

《Advanced Electronic Materials》：Logic Functionality and Circuit Design of In2Se3-Based Split-Gate Ferroelectric Field-Effect Transistor for Zero-Trust Applications

　　

摘要
范德华（van der Waals, vdW）铁电材料正在成为未来逻辑器件和集成电路的关键构建模块。其中，α-In₂Se₃具有稳健的室温铁电性与半导体行为的独特组合。本文提出基于α-In₂Se₃的铁电半导体场效应晶体管（Ferroelectric Semiconductor Field-Effect Transistors, FeS-FETs），采用分裂栅架构实现多功能逻辑操作。在高等效氧化物厚度（Equivalent Oxide Thickness, EOT）条件下，器件表现出顺时针转移滞后特性，具有宽记忆窗口和超过10⁴的开关比。分裂栅设计允许对沟道段独立控制，从而实现易失性NAND逻辑以及可重构Fe-NAND/Fe-NOR操作。此外，器件展现多电导态和可编程阈值电压漂移，进一步拓展其在多值与模拟计算中的功能。基于FeS-FET等效模型的电路模拟表明，通过两器件并联可实现所有基础布尔逻辑功能。值得注意的是，编程状态保持约10²秒，为安全导向的零信任应用提供理想的临时数据存储与自我清除能力。

论文解读文章

随着人工智能（AI）和物联网（IoT）的快速发展，对计算和存储技术提出了更高要求，包括更快的速度、更高能效和高度适应性。然而，传统半导体器件在实现多功能逻辑与存储集成方面存在明显局限。铁电技术（Ferroelectronic Technology）通过自发极化可被外部电场可逆调控，为集成逻辑和记忆提供了一条有力路径。尤其是铁电场效应晶体管（Ferroelectric Field-Effect Transistor, FeFET）利用极化控制的静电效应，实现高开关比、快速切换及低功耗，且兼容CMOS技术。短期保持（retention）能力对零信任（Zero-Trust, ZT）安全系统尤其重要，可实现临时密钥存储和自我清除，有效防止远程攻击或旁路攻击。然而，在铁电系统中，这类功能仍未得到充分探索。

范德华铁电材料提供了无需外延限制的异质集成可能，且展现出比传统铁电体更丰富的物理特性，包括层间电荷转移、偶极锁定及四井势能结构等机制。特别是In₂Se₃兼具半导体和铁电性质，可在单层下操作且室温稳定，内外平面铁电极化互锁，并能通过EOT调控顺/逆时针传导滞后，为铁电半导体器件提供创新基础。

研究人员构建了α-In₂Se₃分裂栅FeS-FET，采用hBN晶体作为范德华介电隔层，实现两个独立门极用于调控沟道的铁电与半导体状态。器件在对称栅配置下可实现易失性逻辑操作（NAND），而在非对称配置下可重构为Fe-NAND/Fe-NOR逻辑。此外，器件显示多电导态和可编程阈值电压漂移，可扩展至多值与模拟计算应用。基于FeS-FET等效模型的电路模拟表明，仅两器件并联即可实现全部基础布尔逻辑功能。器件短期保持特性（约10²秒）使其适用于临时数据存储与零信任安全应用。

在技术方法上，研究使用了微拉曼光谱（Micro-Raman Spectroscopy, λ=532 nm）验证α-In₂Se₃的2H相结构；压电响应力显微镜（Piezoresponse Force Microscopy, PFM）表征器件的内外平面极化及可逆切换；利用高精度源表测量电流-电压（I-V）特性评估传导行为；最后通过Cadence软件建立FeS-FET等效电路进行电路级模拟验证逻辑功能。

研究结果方面，首先确认了α-In₂Se₃的内外平面铁电极化。高EOT条件下，器件展现顺时针传导滞后和12 V记忆窗口，开关比超过10⁴。分裂栅结构允许独立调控沟道段，形成AA、AD、DA、DD四种状态，实现可变逻辑操作。通过偏置电压，器件可在对称模式下执行NAND逻辑，在非对称模式下实现Fe-NAND/Fe-NOR可重构逻辑。多电导态实验显示，通过微步调制VPG，可实现约60个可区分导电状态，对应两至三数量级的电导变化。此外，可编程阈值电压漂移验证了分裂栅和程序栅位置对载流子注入的显著影响。电路模拟表明单个FeS-FET可模拟串/并联n型晶体管逻辑，两个器件并联可实现完整布尔逻辑集合，包括XOR和XNOR。

讨论部分指出，短期保持时间虽然对非易失性存储不利，但在零信任安全体系中可被利用，用于临时存储敏感数据并自动清除，降低潜在安全风险。作者强调，α-In₂Se₃分裂栅FeS-FET提供了逻辑、存储、可重构性和安全性于一体的紧凑、能效高的架构，为范德华铁电半导体在未来超越CMOS技术的安全与多功能纳米电子学奠定了基础。