中國科大李曉光團隊在鐵電量子隧道結超快憶阻器研究中取得重要進展

【引言】

現代計算機多采用信息存儲和處理分離以及多級存儲的架構，需要數據在不同存儲層級和處理器之間轉移，帶來額外的延時和能耗。而且多級架構中每種存儲器都存在性能短板，如非易失的硬盤速度慢、功耗大；而速度快的如SRAM則易失且密度低。在大數據時代，海量數據的低能耗、快速存儲處理能力是突破和完善未來人工智能、物聯網等技術發展的關鍵之一。為此，迫切需求一種既像SRAM一樣能匹配CPU處理數據的速度(<1ns)，又像閃存一樣高密度、非易失的存儲器。更進一步地，如果該存儲器還具有優秀的憶阻特性，能實現人工突觸器件的功能并用于構建存算一體的計算機系統，則有望從架構上打破馮諾依曼瓶頸，為人工智能提供硬件支持。

【成果簡介】

中國科學技術大學李曉光、殷月偉教授團隊一直致力于鐵性隧道結信息存儲原型器件研究，特別是在磁電耦合、超快、多阻態、低功耗、非易失信息存儲等方面取得了重要進展。在前期研究基礎上，近日，該團隊在超快憶阻器研究中取得重要進展，基于鐵電隧道結量子隧穿效應，實現了具有亞納秒阻變的超快存儲器原型，并可用于構建存算一體人工神經網絡，該成果以“Sub-nanosecond Memristor Based on Ferroelectric Tunnel Junction”為題在線發表《自然通訊》雜志上（Nat. Commun.）。

研究人員制備了高質量Ag/BaTiO₃/Nb:SrTiO₃鐵電隧道結，其中鐵電勢壘層厚為6個單胞（約2.4nm）。基于隧道結能帶的設計，以及其對阻變速度、開關比、操作電壓的調控，該原型存儲器信息寫入速度快至600ps（注：機械硬盤的速度約為1ms, 固態硬盤的約為1-10μs）、開關比達2個數量級，且其600ps的轉變速度在工業測試標準的85℃時依然穩定；寫入電流密度4×10³ A/cm²，比目前其他新型存儲原理低約3個量級；一個存儲單元具有32個非易失阻態；寫入的信息預計可在室溫穩定保持約100年；可重復擦寫次數達10⁸-10⁹次，遠超商用閃存壽命（約10⁵次）。即使在極端高溫（225℃）環境下仍能進行信息的寫入，可實現高溫緊急情況備用。這些結果表明，該鐵電隧道結非易失存儲器具有超快、超低功耗、高密度、長壽命、耐高溫等優異特性，是目前綜合性能最好的非易失存儲器之一。特別是，該存儲器還由于鐵電勢壘中疇的可連續翻轉特性能實現電阻的連續調節，而且這一憶阻特性可用于構建超快的人工突觸器件，從而用于發展超快人工神經網絡存算一體系統。人工神經網絡的模擬結果表明，利用該鐵電隧道結憶阻器構建的人工神經網絡可用于識別MNIST手寫數字，準確率可達90%以上。

【圖文導讀】

圖1 鐵電隧道結結構和鐵電性表征

（a）鐵電隧道結Ag/BTO/NSTO初始態的HAADF-STEM及EELS測試結果。Ba：橙色小球；Ti:綠色小球。

（b）BTO/NSTO界面處面外晶格常數。

（c，d）分別用100ns、±3V極化鐵電薄膜后的隧道結HAADF-STEM測試及（e，f）相應的EDS測試。

（g）PFM回滯曲線。相位：橙色；振幅：藍色。

（h，i）±6V寫疇后PFM相位、振幅圖像。

圖2 鐵電隧道結室溫超快阻變特性。

（a，b）施加10ns脈沖電壓下，電阻隨電壓的連續調控以及在不同阻態之間轉變。

（c，d）施加600ps脈沖電壓下，電阻隨電壓的連續調控以及在不同阻態之間轉變。

（e）一個存儲單元中實現32個非易失阻態。

（f）不同脈沖時間下，矯頑電場（矯頑電壓）的變化。

圖3 鐵電疇翻轉動力學。

（a，b）不同振幅的脈沖電壓下，隧道結電阻以及相關的鐵電翻轉比例隨脈沖時間的調控。

（c）不同振幅的脈沖電壓下，鐵電翻轉時間的洛倫茲分布。

（d）鐵電平均翻轉時間隨外加電場的變化。

圖4 基于鐵電隧道結的超快人工突觸。

（a）施加于人工突觸器件的前、后兩端的電脈沖波形。

（b）鐵電隧道結超快STDP功能模擬。

圖5 不同Nb摻雜濃度的影響。

（a，b）不同Nb摻雜濃度下，ON態和OFF態的I-V曲線。

（c）隧穿電流、開關比隨Nb摻雜濃度的變化。

（d）不同Nb摻雜濃度下，矯頑電壓隨脈沖時間的變化。

（e，f）隧穿勢壘高度與寬度隨Nb摻雜濃度的變化。

圖6 鐵電隧道結溫度耐受性。

（a，b）在358K下，600ps超快阻變行為以及相應阻態的保持特性。

（c）不同溫度下的電阻態保持時間以及Arrhenius關系擬合。

圖7 鐵電隧道結憶阻器的神經形態模擬計算。

（a）模擬兩層人工神經網絡結構圖。

（b）電導隨脈沖次數的連續調節模擬突觸長時程抑制和增強。

（c）模擬神經網絡識別MNIST數據庫的準確率隨訓練次數變化圖。

【小結】

基于隧道結能帶的設計，以及其對阻變速度、開關比、操作電壓的調控，研究人員設計并制備了高質量Ag/BaTiO₃/Nb:SrTiO₃鐵電隧道結。研究結果表明，該鐵電隧道結非易失存儲器具有超快、超低功耗、高密度、長壽命、耐高溫等優異特性，是目前綜合性能最好的非易失存儲器之一。特別是，該存儲器還由于鐵電勢壘中疇的可連續翻轉特性能實現電阻的連續調節，而且這一憶阻特性可用于構建超快的人工突觸器件，從而用于發展超快人工神經網絡存算一體系統。

該項研究得到了國家自然科學基金、科技部國家重點研發計劃、中國科學技術大學“雙一流”人才團隊平臺項目的資助。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15249-1

【團隊介紹/通訊作者簡介】

李曉光，中國科學技術大學教授，博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者。主要從事關聯電子材料如氧化物單晶、外延薄膜和外延異質結構以及相關納米結構的探索、磁電耦合效應、多重量子序競爭和調控以及相關器件原型構建研究。

殷月偉，中國科學技術大學特任教授，博士生導師。以新型多功能、超快、低能耗信息存儲和處理應用為主要研究目標，探索鐵電、鐵磁、磁電耦合等功能的調控原理，并基于此開展肖特基結、場效應管、自旋閥、隧道結等薄膜異質結構的電、磁輸運特性和阻態存儲功能研究。