二維材料讓數位邏輯與記憶體整合在同一晶片上
（編譯/Vincent）
史丹佛大學的研究員展示了以單層MoS2製作的場效電晶體，並成功地驅動電阻性隨機存取記憶體(RRAM)。這項成果最近在IEEE國際電子元件會議上發表，彰顯了混合記憶體、邏輯電路整合在一個3D積體電路的重大里程碑。
史丹佛所發展的晶片是由單一電晶體、單一電阻(1T1R)組成的記憶體單元。這樣的架構相對於由電阻性隨機存取記憶體所組成、但無電晶體的記憶體陣列而言，有非常大的好處。
如果沒有電晶體的話，所有的記憶體單元等於是由幾條連結線連成一個電阻網路。因此讀取某個記憶體單元時，讀取電流不只來自於欲讀取的單元，還包含了其它單元的漏電流。因為漏電流的影響，被選取單元的電壓就會變得比較小。
所以使用1T1R架構的好處是：電晶體可以被開啟或關閉，導致被存取的記憶體單元得以跟其它記憶體單元隔離開來，漏電流將因此降低。
「雖然有人用矽材料來實現1T1R的記憶體單元，但是單層MoS2的優點是其可在低溫下進行轉移，所以能在一層記憶體上面再堆疊更多層的記憶體，最後形成一個整合的三維晶片，」H. –S. Philip Wong奈米電子實驗室的博士後研究員Rui Yang表示。他也是此篇論文的主要作者。
Yang還說MoS2場效電晶體通道層的厚度跟原子一樣薄，所以奈米尺度的介層通道(interlayer via)可以很方便地連結晶片的各個不同層，因此晶片可從很多地方更有效率地存取記憶體。
在一般運算的時候、RRAM的角色是作為記憶體，其資料由電阻大小來代表。對1T1R的RRAM來說，當記憶體單元裡的場效電晶體處於開啟(ON)的狀態，則記憶體單元就處於寫入的模式。此時其它未被選中單元之電晶體會被關閉(OFF)，寫入電壓會加載在RRAM單元的上面電極及MoS2電晶體的源極之間。
也就是說電晶體跟RRAM是串聯在一起的。當RRAM從高電阻變成低電阻，RRAM的上面電極處於高電位、電晶體的源極則處於低電位。電晶體會驅動電流流經RRAM，並且限制電流的大小—相當於在電壓週期變化中，控制了電阻的大小。
目前RRAM的製作可以使用跟CMOS相容的材料。但是根據Yang的說法，工業界對於2D材料的製作還未達到跟CMOS相近的水平。
「我們必須找到可靠的方法，以晶圓尺度來生長及轉移2D材料，並且將RRAM及2D電晶體以3D晶片的方式整合起來，」Yang指出。
除了以晶圓尺度生長及轉移2D材料，還有許多元件相關的課題等待解決。Yang認為尺寸還必須縮小、1T1R記憶體陣列必須做得更大、還有元件的變異度必需改善。不過他對此項技術的前景很有信心。
MoS2及RRAM不只將有助於橫向尺寸的縮小，藉由3D堆疊的方式也可以達到縱向（垂直）的尺寸微縮。Yang表示，「為實現上述各項目標，我們打算製造多層的3D記憶體及邏輯電路，以實現記憶體內運算(in-memory computing)。」
