学术研究报告：基于二硫化钼晶体管的三元内容寻址存储器
第一作者及研究机构
本研究的通讯作者为Rui Yang（上海交通大学密西根学院与斯坦福大学联合培养），合作者包括来自斯坦福大学电气工程系、材料科学与工程系的Haitong Li、Kirby K. H. Smithe、Taeho R. Kim等学者。研究成果发表于2019年3月的《Nature Electronics》期刊（Vol 2, 108-114页），标题为《Ternary content-addressable memory with MoS2 transistors for massively parallel data search》。
学术背景
科学领域与动机
本研究属于新型存储器与低功耗计算领域，聚焦于解决数据密集型计算中的内存墙（memory wall）问题。传统计算架构中，数据频繁在计算单元与片外存储器间传输，导致高延迟与能耗。三元内容寻址存储器（Ternary Content-Addressable Memory, TCAM）通过“内存内计算”（in-memory computing）直接在存储器内完成数据匹配搜索，可显著减少数据搬运开销。然而，现有基于静态随机存取存储器（SRAM）的TCAM单元需16个晶体管，面积大且功耗高；而基于阻变存储器（RRAM）的TCAM单元则因匹配/失配状态电阻比（R-ratio）不足（≤100），难以支持大规模并行搜索。
研究目标
团队提出一种新型TCAM架构，通过集成二维材料二硫化钼（MoS2）晶体管与金属氧化物RRAM，实现高R-ratio（匹配/失配电阻比）、低功耗、高密度的并行搜索功能，并探索其在三维集成电路中的潜力。
研究流程与方法
1. 器件设计与制备
- 材料选择：选用单层MoS2（过渡金属硫族化合物）作为晶体管沟道，其宽禁带（~2 eV）特性可大幅降低关态漏电流（off-state leakage），提升R-ratio。RRAM采用HfOx作为开关层，具有非易失性、高开关比（HRS/LRS电阻比>1000）特性。
- 结构设计：采用“2T2R”（两晶体管-两电阻）单元架构（图1a），两个MoS2 FET共享源极，分别驱动一个RRAM，相比SRAM-TCAM显著减少晶体管数量。
- 制备工艺：
- MoS2生长：化学气相沉积（CVD）法生长厘米级单层MoS2薄膜，通过电子束光刻（EBL）定义沟道区域。
- RRAM集成：ALD沉积5 nm HfOx作为开关层，溅射TiN/Pt电极，与MoS2 FET通过共享漏极连接。
- 低温兼容性：全流程工艺温度<200°C，兼容后端制程（BEOL），支持三维集成。
2. 1T1R编程与数据存储
- MoS2 FET特性测试：测得晶体管开关比达2×10⁷，驱动电流170 μA/μm，可承受11 V电压（图2c-d）。
- RRAM编程：通过1T1R结构（图2a-b），施加脉冲电压实现RRAM的SET（低阻态, LRS）与RESET（高阻态, HRS）操作。实验中，RESET电压通过FET分压调控，避免RRAM击穿，获得更高HRS电阻（中值HRS/LRS比达1225）。
3. TCAM功能验证
- 数据编码：
- “1”：RRAM1=HRS，RRAM2=LRS
- “0”：RRAM1=LRS，RRAM2=HRS
- “X”（无关位）：两者均为HRS
- 搜索操作：输入搜索信号（“1”或“0”）通过FET栅极控制，匹配时总电阻高（Rmatch≈Rt,off∣∣Rhrs），失配时电阻低（Rmismatch≈Rt,on+Rlrs）。实验测得单单元R-ratio高达8.5×10⁵（图3b），与SRAM-TCAM相当。
4. 阵列级模拟与性能评估
- SPICE仿真：基于90 nm CMOS工艺外围电路，模拟2048位字长、1024条目（总量2 Mb）的TCAM阵列。结果显示，大R-ratio使匹配线电阻差异显著（RBSM=4340），支持高并行搜索容量（图5d）。
- 能耗分析：利用MoS2 FET的低漏电特性，静态功耗接近零；搜索能耗低于传统架构。
主要结果
- 单器件性能：2T2R TCAM单元R-ratio达8.5×10⁵，比现有RRAM/相变存储器（PCM）基TCAM高3-4个数量级（图3b）。
- 可靠性：RRAM耐受10⁵次编程循环（Supplementary Fig. 4），读取操作稳定（2×10¹¹次无扰动，图3c）。
- 机制解析：1T1R编程中，MoS2 FET的导通电阻（Rt,on≈1-3 kΩ）与RRAM的LRS相当，形成分压保护，避免RESET失效（图4）。
逻辑关联性：高R-ratio直接转化为阵列级的高RBSM（匹配/1bit失配电阻比），确保大规模并行搜索的可靠性（图5b-d）。
结论与意义
科学价值
- 二维材料应用：首次将单层MoS2 FET与RRAM集成于TCAM，展示二维器件在存储-逻辑融合架构中的潜力。
- 机制创新：提出1T1R分压编程策略，解决RRAM高阻态调控难题。
应用价值
- 高性能搜索：适用于边缘计算、多媒体处理、大数据分析等需高吞吐匹配的场景。
- 三维集成兼容性：低温工艺支持多层堆叠，为“存算一体”芯片提供新方案。
研究亮点
1. 创新架构：2T2R单元较SRAM-TCAM节省晶体管数量，非易失性RRAM实现零静态功耗。
2. 性能突破：R-ratio达8.5×10⁵，为报道中RRAM基TCAM的最高值。
3. 二维材料优势：MoS2 FET的原子级厚度、低漏电特性是高性能的关键。
其他价值
- 提出的分压编程机制可推广至其他非易失性存储器集成方案。
- 工作为后摩尔时代低功耗异构集成提供了新思路。
（注：原文中图表编号与补充材料引用均与实际论文一致，此处省略具体图示描述。）