基於鐵電疇翻轉的類腦器件研究獲進展

2020-11-26 騰訊網

中國航空報訊：隨著人類社會數據量的急劇增加以及數據類型複雜程度的提高，類似於人腦的神經網絡型信息處理模式效率將會明顯優於傳統架構計算機。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。該課題組副研究員葛琛圍繞氧化物界面極化場調控的基本科學問題，探索開展了基於功能氧化物薄膜界面工程的類腦器件研究，最近通過精確控制氧化物超薄膜鐵電極化疇翻轉過程設計實現了高性能人工突觸器件。

鐵電隧穿結物理機制的清晰理解對設計高性能人工突觸是至關重要的。鐵電隧道結是一種將鐵電性與量子隧穿效應相結合的信息器件，由鐵電超薄膜和兩種金屬電極組成三明治結構，形成可被鐵電極化方向調製的勢壘，從而實現高低阻態之間的轉變。但是，近幾年的研究表明鐵電隧穿結的電阻開關效應可能還存在離子遷移的貢獻。針對此爭議，研究人員使用雷射分子束外延技術生長了7 u.c.厚的BaTiO3超薄外延膜，成功製備了鐵電隧穿結。通過與順電性SrTiO3體系的對比實驗，研究人員闡明存在氧空位的鐵電超薄膜對開關比有重要的貢獻，解決了該領域長期存在的爭議，在此基礎上設計了目前開關比最大的鐵電隧穿結。最近鐵電隧穿結綜述文章總結了近十年來該領域所有重要工作的開關比， 顯示該器件的開關比性能最佳。

鐵電極化只有兩個狀態，如何控制鐵電疇實現非易失性的多狀態存儲是設計人工突觸需要解決的關鍵科學問題。研究人員在上述鐵電隧穿結工作基礎上，從時間尺度細緻研究了鐵電疇翻轉動力學，發現鐵電隧穿結疇區翻轉過程可以用成核限制模型進行精確描述。從而，研究人員能夠精細地調控鐵電疇逐漸翻轉實現上百個中間非易失狀態，該鐵電突觸器件展現出超低的能耗、多狀態、優異耐久性、超高線性度和對稱性。此外，利用鐵電氧化物薄膜的電容效應和疇翻轉行為， 可分別實現短程和長程可塑性。基於鐵電疇翻轉的電子突觸器件構成的人工神經網絡對標準圖庫MNIST識別率可達到96.4%。這是目前兩端器件的最高水平，展現出鐵電氧化物材料在神經形態器件應用上的潛力。

受此工作的啟發，研究人員進一步用SrTiO3超薄外延膜製備了人工突觸器件，該器件每個脈衝的能耗低至fJ量級，甚至能夠與生物突觸的能耗相比，為基於離子阻變效應的突觸器件設計提供了新思路。

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