微電子所在新型存儲器件、模型及類腦計算研究中取得進展

2021-01-09 中國科學院

　　近日，2019國際電子器件大會（IEDM）在美國舊金山召開。會上，中國科學院微電子研究所劉明團隊展示了新型存儲器件（選通管、可編程二極體）、負電容電晶體緊縮模型、類腦神經元器件電路的最新研究成果。

　　在存儲器件方面，劉明團隊提出了一種基於HZO鐵電薄膜極性反轉調製的電場可編程二極體及1T2D結構的電壓輸出存儲單元（圖1）。針對二進位神經元網絡（BNN）應用，提出了一種基於2T4D XNOR單元的無CSA的BNN架構，其單元面積小（16 F2），效率高（387 TOPS / W）。

　　在器件模型方面，劉明團隊提出了一種基於表面勢的連續的負電容電晶體（NCFET）緊縮模型（圖2）。該模型結合了多籌作用朗道理論、極化弛豫的時間特性和半經典玻耳茲曼輸運理論，首次得到沒有任何經驗擬合參數的表面勢解析解。模型與數值解和實驗吻合，成功嵌入SPICE進行電路仿真，為NCFET的設計-技術協同優化(DTCO)提供了很好的幫助。

　　在類腦計算方面，劉明團隊基於具有MIT轉變的NbOx器件構建了一種1T1R結構的脈衝神經元電路（圖3），其輸出脈衝發放頻率與輸入電壓關係滿足ReLU激活函數。利用該神經元電路構建了320×10的網絡，實現了模擬神經網絡（ANN）到脈衝神經網絡（SNN）的轉換，摒棄了傳統神經網絡中ADC的使用。在MNIST庫上實現了與ANN相當的識別率。

　　基於上述成果的3篇研究論文入選2019國際電子器件大會。第一作者分別為副研究員羅慶、博士趙瑩、張續猛。三篇論文的通訊作者分別為呂杭炳和劉明，李泠和劉明，楊建華、劉琦和劉明。

　　IEEE國際電子器件大會始於1954年，現已成為全球報導半導體及電子領域最新的科技、研發設計、製造、物理學及建模技術的主要論壇，旨在為產學研界的研究學者提供關於電子器件最新研究進展和研究成果的國際交流平臺。

圖1 一種基於HZO鐵電薄膜極性反轉調製的電場可編程二極體(Field-Programmable Ferroelectric Diode)及1T2D結構的電壓輸出存儲單元

　　圖2 基於表面勢的連續解析負電容場效應電晶體緊縮模型，首次得到了表面勢連續解析解，在器件轉移等特性與實驗數據吻合，並成功用於電路仿真

　　圖3 一種基於NbOx器件的1T1R結構的脈衝神經元電路及輸出特性。首次構建了320×10的硬體脈衝神經網絡，實現了ANN到SNN的轉換，摒棄了ANN中ADC的使用

相關焦點

  • 微電子所在阻變存儲器的傳輸機制研究中取得進展
    日前，中國科學院微電子研究所納米加工與新器件集成技術研究室在阻變存儲器（RRAM）的傳輸機制研究中取得新進展。　　RRAM是重要的下一代新型存儲器，具有結構簡單、高速、低功耗和易於3D集成等優點。一般認為，局域的導電通路在阻變功能層中的形成（低阻態）或斷裂（高阻態）是RRAM器件具有「開關」效應的根源。但目前對於導電通路中的載流子輸運機制還存在很大的爭議，正確理解導電通路中的載流子輸運過程對控制和改善器件的存儲特性，以及對器件的建模和分析都至關重要。
  • 清華微電子所錢鶴、吳華強團隊合作發表新型類腦器件研究長篇綜述...
    清華微電子所錢鶴、吳華強團隊合作發表新型類腦器件研究長篇綜述文章清華新聞網10月9日電 9月24日，清華大學微電子所錢鶴、吳華強教授團隊與合作者在國際材料與器件領域知名學術期刊《先進材料》（Advanced Materials）上在線發表長篇綜述文章《用新型類腦器件連接生物神經網絡與人工神經網絡：原理，進展與挑戰》（Bridging Biological
  • 微電子所在新型矽基環柵納米線MOS器件研究中取得進展
    近日，中國科學院微電子研究所集成電路先導工藝研發中心在面向5納米以下技術代的新型矽基環柵納米線（Gate-all-around silicon nanowire，GAA SiNW）MOS器件的結構和製造方法研究中取得新進展。　　5納米以下集成電路技術中現有的FinFET器件結構面臨諸多挑戰。
  • 微電子所在新型FinFET器件工藝研究中取得突破
    近日，中國科學院微電子研究所集成電路先導工藝研發中心在下一代新型FinFET邏輯器件工藝研究中取得新進展。　　隨著主流FinFET器件工藝的持續微縮，其在柵控與性能提升上面臨越來越大的技術挑戰。
  • 寧波材料所在柔性氧化物神經形態電晶體研究方面取得進展
    寧波材料所在柔性氧化物神經形態電晶體研究方面取得進展 2018-11-26 寧波材料技術與工程研究所 【字體：在突觸仿生電子學方面，目前的研究主要包括兩端阻變器件和三端電晶體，這類器件已經模仿了一些從簡單到複雜的各種突觸功能和神經元功能，有著潛在的應用前景。　　近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所功能材料界面物理與器件應用團隊在柔性神經形態器件研究方面取得新進展。
  • 超導存儲器件研究取得進展
    近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員陳壘、王鎮提出了一種新型3D nano-SQUID超導存儲器件，發現利用其特有的偏離正弦函數的電流-位相關係。研究結果以Miniaturization of the Superconducting Memory Cell via a Three-Dimensional Nb Nano-Superconducting Quantum Interference Device為題發表在ACS Nano期刊上。高速超導存儲器是發展超導高性能計算技術的核心器件之一。
  • 微電子所在器件物理領域取得重要進展
    傳統的三維半導體材料表面存在大量的懸掛鍵，可通過捕獲和散射等方式影響和限制自由載流子的運動，因此表面態的設計、製造和優化是提高三維半導體器件性能的關鍵因素
  • 微電子所鍺基MOS器件研究取得新進展
    日前，中國科學院微電子研究所在鍺基MOS器件的研究上獲得顯著進展。鍺(Ge)材料具有優異的電子和空穴遷移率，是超高速、低功耗MOS器件的理想溝道材料。對於高性能的MOS器件而言，良好的界面對於提升MOS器件的遷移率非常重要，由於high-k/Ge的界面穩定性較差，在界面處存在的大量的缺陷形成載流子的散射中心，阻礙了高遷移率的獲得，進而嚴重影響器件的最終性能。
  • 集成電路用納電子器件模型研究取得最新進展
    北京大學教授何進博士率領的微電子學研究院納太器件和電路研究組，在教育部留學回國人員科研啟動基金和國家自然科學基金支持下，最近在CMOS集成電路用納器件模型領域取得重要突破，成果在國際電子電氣工程師協會相關領域最權威的學術期刊
  • 利用類腦器件高效處理神經信號，構建新型腦機接口
    憶阻器是一種新型信息處理器件，其電導狀態可以通過外加電壓激勵驅動離子遷移來調節。憶阻器的工作機理與人腦中的神經突觸、神經元等具有一定的相似性，基於憶阻器的神經形態計算可以突破傳統計算架構，在實現高並行度的同時顯著降低功耗，因此在腦機接口領域有著巨大的應用潛力。
  • 微電子所在基於先進FinFET工藝的矽量子器件研究中獲進展
    量子計算是未來信息技術發展的重要方向，在一些特定領域具有較大應用潛力。
  • 基於鐵電疇翻轉的類腦器件研究獲進展
    開發符合神經形態計算特性的電子器件進而構建大規模人工神經網絡，通過模仿人腦工作方式進行類腦計算，被認為是解決目前算力瓶頸的潛力方案，相關研究已成為未來信息科技發展的一個重要方向。 中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心光物理重點實驗室研究員金奎娟和中科院院士楊國楨領導的L03組致力於雷射分子束外延方法製備功能氧化物外延膜及其物性調控的研究。
  • 微電子所在氮化鎵界面態研究方面取得進展
    近日，中國科學院微電子研究所高頻高壓中心研究員劉新宇團隊等在GaN界面態研究領域取得進展，在LPCVD-SiNx/GaN界面獲得原子級平整界面和國際先進水平的界面態特性，提出了適用於較寬能量範圍的界面態U型分布函數，實現了離散能級與界面態的分離。
  • 首次實現可塑性可調的石墨烯類突觸器件
    with Modulatable Plasticity」）的研究論文，首次實現了基於二維材料的類突觸器件，該工作利用了石墨烯獨特的雙極型輸運特性，通過改變背柵電壓來調控石墨烯的滯回曲線，從而首次實現了類突觸器件的可塑性可調。
  • 清華類腦計算研究中心主任:發展人工通用智能需要多學科融合
    11月3日，2019騰訊科學WE大會在北京舉行，清華大學類腦計算研究中心主任施路平在演講中介紹了人工通用智能（AGI）的發展路徑，第一是由計算機主導的，第二即腦科學主導的。施路平致力於融合人腦和電腦思維，用類腦計算支撐通用人工智慧的發展。具體而言，「計算機主導的像機器學習，它在圖像識別、語音理解、自然語言的處理方面，取得了輝煌的成績，但是它的很難處理不確定性的問題等。」施路平說。「腦科學神經形態計算，發展的也很快，但是由於我們不理解腦的機制，極大地阻礙了它的發展。把兩者結合起來，是目前我們認為最好的一種方法。」
  • 微電子所等在器件物理研究中獲進展
    傳統的三維半導體材料表面存在大量的懸掛鍵，可通過捕獲和散射等方式影響和限制自由載流子的運動，因此，表面態的設計、製造和優化是提高三維半導體器件性能的關鍵因素。類似於三維半導體材料的表面態，單層二維材料（如二硫化鉬和石墨烯）在邊界原子的終止和重建可以產生邊界態，這使二維材料產生較多獨特的現象，並得到廣泛應用。
  • 「垂直結構」新型類腦視覺系統方面取得重要進展
    多功能光電傳感和類腦計算器件對於研發能夠工作在全模擬域的類腦視覺系統至關重要。2020）等方向陸續取得突破。該工作為未來開發三維垂直集成的新型類腦視覺系統奠定了科學與技術基礎。在實驗中，研究團隊首先展示了視網膜形態的傳感器陣列及其在圖像預處理方面的應用。為了製備傳感器陣列，該團隊利用機械剝離方法獲得了二維材料硒化鎢和氮化硼，並將它們依次轉移至氧化鋁上製備成範德華異質結器件。在背柵調控下，所製備的器件展現出極性相反的，且依賴於柵極電壓、光強、波長等物理參數變化的光電流響應。這種光響應特徵與視網膜中雙極性細胞的特徵類似。
  • 矽基光電子與微電子單片集成研究進展
    介紹了國內外矽基光電子器件與集成晶片的研究進展，重點介紹了本課題組在矽基光電子與微電子集成方向的研究進展，包括矽基雷射器、矽基光調製器、矽基發光器件與控制電路單片集成、矽基光電探測器與接收電路單片集成、矽基微環濾波器與溫控電路單片集成、單片集成矽光收發晶片等。
  • 3D nano-SQUID超導存儲器件研究取得原理性突破
  • 上海矽酸鹽所在新型鐵電陶瓷研究方面取得進展
    上海矽酸鹽所在新型鐵電陶瓷研究方面取得進展 2020-05-26 上海矽酸鹽研究所 【字體：傳統鐵電材料中鈣鈦礦結構的鋯鈦酸鉛（簡稱PZT）系列是應用面最廣的鐵電材料，也是目前國際上公認的、實現能量存儲和爆電換能的理想材料。但是，隨著新技術對高性能鐵電材料需求的增加和環境友好型社會的發展，探索新型無鉛鐵電材料體系變得越來越迫切。