鐵電量子隧道結(jié)亞納秒超快憶阻器研究新突破

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李曉光團隊一直致力于鐵性隧道結(jié)信息存儲原型器件研究，在磁電耦合、超快、多阻態(tài)、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(chǔ)上，近日，該團隊基于鐵電隧道結(jié)量子隧穿效應(yīng)，實現(xiàn)了具有亞納秒信息寫入速度的超快原型存儲器，并可用于構(gòu)建存算一體人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該成果以Sub-nanosecond memristor based on ferroelectric tunnel junction 為題在線發(fā)表在《自然-通訊》雜志上（Nat. Commun.）。

在大數(shù)據(jù)時代，海量數(shù)據(jù)的低能耗、快速存儲處理是突破和完善未來人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵之一。為此，迫切需求一種既像SRAM一樣能匹配CPU處理數(shù)據(jù)的速度(<1ns)，又像閃存一樣具備高密度、非易失的信息存儲。更進一步地，如果該存儲器還具有優(yōu)秀的憶阻特性，從而實現(xiàn)人工突觸器件的功能，則可用于構(gòu)建存算一體的計算系統(tǒng)，并有望突破馮諾依曼架構(gòu)，為人工智能提供硬件支持。

研究人員制備了高質(zhì)量Ag/BaTiO3/Nb:SrTiO3鐵電隧道結(jié)，其中鐵電勢壘層厚為6個單胞（約2.4nm）。基于隧道結(jié)能帶的設(shè)計，以及其對阻變速度、開關(guān)比、操作電壓的調(diào)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(tài)硬盤的約為1-10ms）、開關(guān)比達(dá)2個數(shù)量級，且其600ps的阻變速度在85℃時依然穩(wěn)定（工業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)）；寫入電流密度4×103A/cm2，比目前其他新型存儲器低約3個量級；一個存儲單元具有32個非易失阻態(tài)；寫入的信息預(yù)計可在室溫穩(wěn)定保持約100年；可重復(fù)擦寫次數(shù)達(dá)108-109次，遠(yuǎn)超商用閃存壽命（約105次）。即使在極端高溫（225℃）環(huán)境下仍能進行信息的寫入，可實現(xiàn)高溫緊急情況備用。

圖例說明：鐵電隧道結(jié)憶阻器的阻變特性和神經(jīng)形態(tài)模擬計算。

圖a. 鐵電隧道結(jié)量子隧穿效應(yīng)概念示意圖。圖b. 施加不同幅值的600ps電脈沖實現(xiàn)隧道結(jié)電阻的連續(xù)調(diào)控。圖c. 可分辨的32個獨立電阻狀態(tài)保持特性。圖d. 鐵電隧道結(jié)阻變存儲器阻變次數(shù)測試。圖e. 鐵電隧道結(jié)STDP測試。f. 模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別MNIST手寫數(shù)字的準(zhǔn)確率隨訓(xùn)練次數(shù)變化圖。

這些結(jié)果表明，該鐵電隧道結(jié)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(yōu)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隧穿層中疇的可連續(xù)翻轉(zhuǎn)特性能實現(xiàn)電阻的連續(xù)調(diào)節(jié)，而且這一憶阻特性可用于構(gòu)建超快的人工突觸器件，從而用于開發(fā)超快人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存算一體系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬結(jié)果表明，利用該鐵電隧道結(jié)憶阻器構(gòu)建的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可用于識別MNIST手寫數(shù)字，準(zhǔn)確率可達(dá)90%以上。

中國科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心和物理學(xué)院教授李曉光和殷月偉為論文通訊作者。博士生馬超、羅振為論文共同第一作者。

該項研究得到國家自然科學(xué)基金、科技部國家重點研發(fā)計劃、中國科大“雙一流”人才團隊平臺項目的資助。