中国科大李晓光团队在铁电量子隧道结超快忆阻器研究中取得重要进展

【引言】

现代计算机多采用信息存储和处理分离以及多级存储的架构，需要数据在不同存储层级和处理器之间转移，带来额外的延时和能耗。而且多级架构中每种存储器都存在性能短板，如非易失的硬盘速度慢、功耗大；而速度快的如SRAM则易失且密度低。在大数据时代，海量数据的低能耗、快速存储处理能力是突破和完善未来人工智能、物联网等技术发展的关键之一。为此，迫切需求一种既像SRAM一样能匹配CPU处理数据的速度(<1ns)，又像闪存一样高密度、非易失的存储器。更进一步地，如果该存储器还具有优秀的忆阻特性，能实现人工突触器件的功能并用于构建存算一体的计算机系统，则有望从架构上打破冯诺依曼瓶颈，为人工智能提供硬件支持。

【成果简介】

中国科学技术大学李晓光、殷月伟教授团队一直致力于铁性隧道结信息存储原型器件研究，特别是在磁电耦合、超快、多阻态、低功耗、非易失信息存储等方面取得了重要进展。在前期研究基础上，近日，该团队在超快忆阻器研究中取得重要进展，基于铁电隧道结量子隧穿效应，实现了具有亚纳秒阻变的超快存储器原型，并可用于构建存算一体人工神经网络，该成果以“Sub-nanosecond Memristor Based on Ferroelectric Tunnel Junction”为题在线发表《自然通讯》杂志上（Nat. Commun.）。

研究人员制备了高质量Ag/BaTiO₃/Nb:SrTiO₃铁电隧道结，其中铁电势垒层厚为6个单胞（约2.4nm）。基于隧道结能带的设计，以及其对阻变速度、开关比、操作电压的调控，该原型存储器信息写入速度快至600ps（注：机械硬盘的速度约为1ms, 固态硬盘的约为1-10µs）、开关比达2个数量级，且其600ps的转变速度在工业测试标准的85℃时依然稳定；写入电流密度4×10³A/cm²，比目前其他新型存储原理低约3个量级；一个存储单元具有32个非易失阻态；写入的信息预计可在室温稳定保持约100年；可重复擦写次数达10⁸-10⁹次，远超商用闪存寿命（约10⁵次）。即使在极端高温（225℃）环境下仍能进行信息的写入，可实现高温紧急情况备用。这些结果表明，该铁电隧道结非易失存储器具有超快、超低功耗、高密度、长寿命、耐高温等优异特性，是目前综合性能最好的非易失存储器之一。特别是，该存储器还由于铁电势垒中畴的可连续翻转特性能实现电阻的连续调节，而且这一忆阻特性可用于构建超快的人工突触器件，从而用于发展超快人工神经网络存算一体系统。人工神经网络的模拟结果表明，利用该铁电隧道结忆阻器构建的人工神经网络可用于识别MNIST手写数字，准确率可达90%以上。

【图文导读】

图1 铁电隧道结结构和铁电性表征

（a）铁电隧道结Ag/BTO/NSTO初始态的HAADF-STEM及EELS测试结果。Ba：橙色小球；Ti:绿色小球。

（b）BTO/NSTO界面处面外晶格常数。

（c，d）分别用100ns、±3V极化铁电薄膜后的隧道结HAADF-STEM测试及（e，f）相应的EDS测试。

（g）PFM回滞曲线。相位：橙色；振幅：蓝色。

（h，i）±6V写畴后PFM相位、振幅图像。

图2 铁电隧道结室温超快阻变特性。

（a，b）施加10ns脉冲电压下，电阻随电压的连续调控以及在不同阻态之间转变。

（c，d）施加600ps脉冲电压下，电阻随电压的连续调控以及在不同阻态之间转变。

（e）一个存储单元中实现32个非易失阻态。

（f）不同脉冲时间下，矫顽电场（矫顽电压）的变化。

图3 铁电畴翻转动力学。

（a，b）不同振幅的脉冲电压下，隧道结电阻以及相关的铁电翻转比例随脉冲时间的调控。

（c）不同振幅的脉冲电压下，铁电翻转时间的洛伦兹分布。

（d）铁电平均翻转时间随外加电场的变化。

图4 基于铁电隧道结的超快人工突触。

（a）施加于人工突触器件的前、后两端的电脉冲波形。

（b）铁电隧道结超快STDP功能模拟。

图5 不同Nb掺杂浓度的影响。

（a，b）不同Nb掺杂浓度下，ON态和OFF态的I-V曲线。

（c）隧穿电流、开关比随Nb掺杂浓度的变化。

（d）不同Nb掺杂浓度下，矫顽电压随脉冲时间的变化。

（e，f）隧穿势垒高度与宽度随Nb掺杂浓度的变化。

图6 铁电隧道结温度耐受性。

（a，b）在358K下，600ps超快阻变行为以及相应阻态的保持特性。

（c）不同温度下的电阻态保持时间以及Arrhenius关系拟合。

图7 铁电隧道结忆阻器的神经形态模拟计算。

（a）模拟两层人工神经网络结构图。

（b）电导随脉冲次数的连续调节模拟突触长时程抑制和增强。

（c）模拟神经网络识别MNIST数据库的准确率随训练次数变化图。

【小结】

基于隧道结能带的设计，以及其对阻变速度、开关比、操作电压的调控，研究人员设计并制备了高质量Ag/BaTiO₃/Nb:SrTiO₃铁电隧道结。研究结果表明，该铁电隧道结非易失存储器具有超快、超低功耗、高密度、长寿命、耐高温等优异特性，是目前综合性能最好的非易失存储器之一。特别是，该存储器还由于铁电势垒中畴的可连续翻转特性能实现电阻的连续调节，而且这一忆阻特性可用于构建超快的人工突触器件，从而用于发展超快人工神经网络存算一体系统。

该项研究得到了国家自然科学基金、滚球体育 部国家重点研发计划、中国科学技术大学“双一流”人才团队平台项目的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15249-1

【团队介绍/通讯作者简介】

李晓光，中国科学技术大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事关联电子材料如氧化物单晶、外延薄膜和外延异质结构以及相关纳米结构的探索、磁电耦合效应、多重量子序竞争和调控以及相关器件原型构建研究。

殷月伟，中国科学技术大学特任教授，博士生导师。以新型多功能、超快、低能耗信息存储和处理应用为主要研究目标，探索铁电、铁磁、磁电耦合等功能的调控原理，并基于此开展肖特基结、场效应管、自旋阀、隧道结等薄膜异质结构的电、磁输运特性和阻态存储功能研究。