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

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近几年来，在多种新型存储器备选方案中，基于铁电非易失极化和量子隧穿效应的铁电隧道结存储器备受关注。铁电材料的自发电荷极化方向这一内禀自由度受外电场这一外部自由度调控，从而可以用于非易失信息存储。铁电隧道结因其铁电极化、电阻读取等相关的原理优势，在超快、低功耗、抗干扰等方面表现突出，是发展新一代信息存储器件的重要途径，具有重要的科学意义和应用前景。

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，如非易失的硬盘信息存取速度慢、功耗大；而速度快的如 SRAM 则信息易失且密度低。在大数据时代，海量数据的低能耗、快速存储和处理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)，又像闪存一样具有高密度、非易失的信息存储。更进一步地，如果该存储器还具有优秀的忆阻特性，则可用于构建存算一体的计算系统，并有望突破冯诺依曼架构。
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（图 1），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 4×10³ A/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 1：铁电隧道结忆阻器的阻变特性和神经形态模拟计算。a. 铁电隧道结量子隧穿效应概念示意图。b. 施加不同幅值的 600ps 电脉冲实现隧道结电阻的连续调控。c. 可分辨的 32 个独立电阻状态保持特性。d. 铁电隧道结阻变存储器阻变次数测试。e. 铁电隧道结 STDP 测试。f. 模拟神经网络识别 MNIST 手写数字的准确率随训练次数变化图。

该项工作展现了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。该器件优异的忆阻特性，在未来新型存储和计算体系中有重要的应用前景。中国科学技术大学物理系博士生马超、罗振为文章的共同第一作者，中国科学技术大学李晓光教授、殷月伟教授为文章的通讯作者。

该项研究得到了国家自然科学基金、科技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。

点击“阅读原文”查看论文原文。

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