【微電子】復旦大學周鵬團隊發明集成存儲計算的鐵電電晶體技術

2022-01-21 X-MOL資訊

目前,人工智慧的興起使得以圖像、語音處理、自動駕駛等為代表的新興應用呈現快速增長趨勢,這些應用要求數據在計算系統的邏輯和存儲單元間頻繁地交互更新。而當下計算機架構中邏輯和存儲模塊在物理上是分離的,大量通信交互增加了系統能耗,限制了整體效率,就好比身處異地的兩人用書信或電郵討論靈光乍現的idea,顯然交流效率會大打折扣。為此,利用非易失存儲器件執行模擬計算等新興技術應運而生,這就相當於兩人直接面對面交流觀點,進行頭腦風暴,省去了耗時耗力的信息往復輸運,顯著提升了交流效率。其中,受益於極化場驅動的快速電導翻轉、非破壞性讀取、非易失性的存儲態和簡易的器件結構等優勢,鐵電存儲器成為了一種充滿潛力的技術路徑。然而,傳統鐵電電晶體(FeFETs)存儲器通常採用鐵電體作為介電層來調製溝道電導,受去極化場的作用,FeFETs中的剩餘極化隨著開關周期累加而逐漸降低,鐵電體發生疲勞,最終導致存儲器抗疲勞特性受限。此外,傳統鐵電絕緣介電層中往往存在電荷俘獲和洩漏電流現象,這導致了存儲器閾值和存儲狀態的漂移。針對這些問題,復旦大學微電子學院周鵬教授團隊發現了新型二維鐵電半導體在存儲計算領域更優的應用方案(二維鐵電溝道電晶體),解決了如何用新材料、新原理和新結構優化鐵電存儲器性能併兼具計算能力的難題,實現了鐵電存儲器結構的原始創新,可用於發展存儲和計算融合系統。相關成果以《集成超快存儲和神經擬態計算的二維鐵電溝道電晶體》(「Two-dimensional ferroelectric channel transistors integrating ultra-fast memory and neural computing」)為題在線發表於《自然•通訊》(Nature Communications)二維鐵電溝道電晶體(2D FeCTs)與傳統FeFETs的核心區別在於,直接將二維鐵電半導體作為電晶體溝道,而傳統鐵電材料多為絕緣體,無法用作溝道層,只能作為柵極介電層調製溝道電導,這可以用一個從始發城市A前往目標城市B的行程例子來簡單理解,FeCTs相當於由城市A直達城市B,一步到位完成行程,而傳統FeFETs則需要經轉城市C,才能到達目標城市B。此外,二維鐵電半導體中天然存在的移動電荷可以形成一個內建電場,從而有效屏蔽鐵電半導體內部的去極化場,使傳統FeFETs的抗疲勞特性改善,電荷俘獲和洩漏電流效應消除,最終實現鐵電存儲器性能優化。

圖1. 傳統鐵電電晶體FeFETs VS二維鐵電溝道電晶體FeCTs首先,作者發現FeCTs可作為優異的非易失性存儲器應用,且能夠實現超快非易失數據寫入。實驗結果顯示,FeCTs展現出足夠大的存儲窗口,穩定的非易失保持特性和改善的抗疲勞特性。同時,研究中還驚喜地發現FeCTs允許40 ns極限非易失性寫入操作。

除了非易失數據存儲功能,FeCTs兼具了神經擬態計算能力,包括神經突觸細胞中短時程可塑性,尖峰幅值、頻率依賴的可塑性,長時程增強、抑制可塑性的模擬。此外,單個神經突觸興奮/抑制事件能耗分別低至234/40 fJ,成為構建未來高能效神經形態系統充滿希望的候選者。

獨闢蹊徑引入熱學輔助調製,高精度鳶尾花識別盡顯應用前景在研究中還發現,熱學溫度也能夠對FeCTs的非易失性存儲和神經擬態計算功能起到靈活可控的調製。對於非易失性存儲器,熱學調製實現了與電學復位操作類似的溝道鐵電體去極化效應,展現了FeCTs非易失數據存儲的熱電可調性。對於神經擬態計算,以電學為基礎,引入熱學輔助調製,實現了更大範圍的長時程增強、抑制可塑性,為基於FeCTs創建的神經網絡在精度調節上增加熱學維度。最終,以高精度(94.74%)識別並分類鳶尾花圖像為例,演示了FeCTs在系統應用中的潛能。

總結而言,此次開發的二維鐵電溝道電晶體革新了鐵電存儲器結構,併兼具非易失存儲和神經擬態計算能力,同時引入熱學輔助調製思路,演示了系統應用前景,為高能效存算融合系統發展提供了器件級範式。復旦大學專用集成電路與系統國家重點實驗室是研究工作的唯一單位。復旦大學微電子學院博士生王水源為第一作者,復旦大學微電子學院周鵬教授為通訊作者。研究工作得到了微電子學院院長張衛的指導和國家自然科學基金傑出青年基金、上海市科學技術委員會、上海市教委曙光計劃的支持。Two-dimensional ferroelectric channel transistors integrating ultra-fast memory and neural computingShuiyuan Wang, Lan Liu, Lurong Gan, Huawei Chen, Xiang Hou, Yi Ding, Shunli Ma, David Wei Zhang, Peng ZhouNat. Commun., 2021, 12, 53, DOI: 10.1038/s41467-020-20257-2


周鵬,教授,博士生導師。復旦大學微電子學院副院長,2019年獲國家傑出青年科學基金資助,同年入選萬人計劃領軍人才,2018年入選科技部中青年創新領軍人才,同年入選上海市「曙光人才」計劃,2016年獲國家自然基金委優秀青年資助。2013年獲上海市科技「啟明星」計劃資助,主持「上海市微納器件與工藝專業技術服務平臺」。長期從事集成電路新材料、新器件和新工藝的研究。利用新材料發明了高速與非易失兼得的新型存儲技術,實現了高面積效率單電晶體邏輯原位存儲技術,獲得了高性能存儲器件,高效率算法和驗證性晶片。主持了國家自然科學傑出青年基金、應急重點項目、優秀青年科學基金、面上基金等項目,參與了多項國家《極大規模集成電路製造技術及成套工藝》重大專項項目,參與了科技部重點研發計劃、973計劃、863重大項目等。以第一/通訊作者已發表SCI論文100餘篇,包括3篇Nature Nanotechnology, 1篇 Nature Electronics, 4篇Advanced Materials等。近三年受邀在國內外會議做邀請報告50餘次,任Wiley 期刊InfoMat(信息材料)副主編,作為客座編輯主持了Small、Advanced Electronic Materials和Nanotechnology等期刊專刊。https://www.x-mol.com/groups/peng_zhou

本文版權屬於X-MOL(x-mol.com),未經許可謝絕轉載!歡迎讀者朋友們分享到朋友圈or微博!

長按下圖識別圖中二維碼,輕鬆關注我們!

點擊「閱讀原文」,查看 化學 • 材料 領域所有收錄期刊

相關焦點

  • 復旦大學張衛、周鵬團隊開創第三類存儲技術,破解數據存儲難題
    非易失性存儲雖能滿足數據存儲年限的要求,可寫入速度卻足足慢了幾千倍。針對這一難題,復旦大學張衛、周鵬團隊利用顛覆性的二維半導體器件,開創了第三類存儲技術,讓「寫入速度」與「非易失性」二者兼得,相關成果以《用於準非易失應用的範德瓦爾斯結構半浮柵存儲》為題,在線發表於《自然·納米技術》雜誌。
  • 中國開創第三類存儲技術,速度比U盤快1萬倍!
    近日,復旦大學微電子學院教授張衛、周鵬團隊實現了具有顛覆性的二維半導體準非易失存儲原型器件,開創了第三類存儲技術
  • 復旦微電子引領PUF在安全防偽領域的應用
    PUF技術提取的「指紋」信息,利用了自然環境中普遍存在的物理擾動,具有較好的隨機特性,利用該隨機特性,可產生隨機PUF KEY,與密碼算法相結合,可顯著提升密碼算法的抗攻擊性能和安全等級。  日前,上海復旦微電子公司開發出符合ISO/IEC15693協議的高頻安全電子標籤晶片FM13HS02。
  • 微電子所在新型存儲器及硬體安全晶片領域取得突破性進展
    在新型存儲器方面,劉明院士/呂杭炳研究員團隊與復旦大學薛曉勇副教授合作首次提出了基於PMOS選擇器的1T2R 結構RRAM單元,並採用分層位線和三態單元存儲技術,使漏電流降低了90%以上。設計了電流精確補償限流電路和自適應寫驅動電路,大幅度提高了陣列的可靠性,同時開發了基於1T2R 自身陣列特點的高速電流型讀取電路,實現了極端條件下的高速讀取。
  • 之江實驗室與中科院微電子所合作在新型硬體安全晶片領域取得重要進展
    「相較於傳統集成電路的PUF,基於阻變存儲器RRAM的PUF具有功耗低、面積小、可靠性強、隨機性好等特點,可以兼容CMOS工藝,與晶片設計無縫集成,且隨機性不隨工藝微縮而改變。」楊建國說。基於RRAM隨機短期記憶時間等特性,之江實驗室新型智能計算系統研究團隊與中科院微電子研究所、復旦大學的研究人員合作,從隨機源的物理模型出發,實現了完整的PUF IP的設計和驗證。晶片測試結果顯示其隨機性接近理想值。經過對PUF產生的100M比特流的測試,該晶片通過了全部美國國家標準與技術研究所(NIST)的測試項。
  • 太湖「密」談—— 復旦微電子集團獨創PUF晶片技術亮相2019無錫物聯網密碼峰會
    博覽會重要活動之一的「萬物智聯,『密』不可分——2019物聯網密碼應用專題峰會」也讓業界精英、學界權威、政界人士以及優秀密碼技術企業等齊聚無錫。作為密碼算法晶片的優秀企業代表,上海復旦微電子集團股份有限公司受邀出席本次峰會。
  • 之江實驗室攜手中科院微電子所 新型硬體安全晶片獲進展
    之江實驗室供圖中新網杭州1月14日電(錢晨菲 陳航)14日,記者從之江實驗室獲悉,之江實驗室、中國科學院微電子研究所(下稱中科院微電子所)聯合研究團隊在新型架構安全晶片領域取得重要進展。研究團隊基於物理不可克隆技術(Physically Unclonable Function,PUF),完成了2款新型硬體安全晶片的設計與驗證,晶片相關指標達到國際先進水平。
  • 國家級一流本科專業 | 微電子科學與工程
    青島大學微電子科學與工程專業於2010年經教育部批准設置並正式招生,青島大學是國內高校中率先、山東省省屬高校中首個設置該專業的高校。青島大學為了對接「新工科」建設、促進山東省「新舊能轉換重大工程」、推動微電子學科發展,於2018年5月16日成立了微納技術學院,學院由中國半導體集成電路製造產業之父、董事長,中芯國際創始人、首任董事長兼CEO專家張汝京博士任終身名譽院長(兼講席教授)。
  • 復旦大學田朋飛、臺灣交大郭浩中︱綜述:Micro-LED顯示全彩化關鍵技術
    原標題:復旦大學田朋飛、臺灣交通大學郭浩中︱Progress in Quantum Electronics綜述:Micro-LED顯示全彩化關鍵技術在過去幾十年,顯示技術得到了廣泛使用。我們在生活中可以看到大量的應用,例如電視、大型視頻廣告牌、計算機、智能設備等。目前,液晶顯示器(LCD)和有機發光二極體 (OLED) 顯示技術佔據顯示市場。
  • 復旦大學開創第三類存儲技術原型,或將成為中國內存產業困局突破口?
    但半導體產業的另一個關鍵環節,也就是存儲,此一領域技術長期把持在某些特定美系與日系廠商手中,相較於其他領域,中國半導體廠商在存儲技術領域的發展顯得艱辛許多。最近,復旦大學所研發的存儲架構正為中國半導體存儲帶來一線光明,該存儲結構基於電荷技術,其基礎結構論文定名為用」基於範德瓦爾斯異構結構的半浮柵(SFG)準非易失性應用存儲器」(A semi-floating gate memory based on van der Waals heterostructures for quasi-non-volatile
  • 復旦微電子集團雙界面金融IC卡晶片通過國際EMVCo晶片安全認證
    上海復旦微電子集團股份有限公司日前宣布,公司的雙界面金融IC卡晶片產品FM1280獲得國際EMVCo晶片安全認證證書(證書編號ICCN0227)。這標誌著復旦微電子集團的金融IC卡晶片產品的安全技術、安全管理體系均已達到國際安全等級要求。
  • 【探索FEMAT】一種新的多功能、低能耗存內計算存儲陣列
    在存內計算陣列的設計中,很多不同的非易失性器件都得到了應用,本文所介紹的名為FEMAT的存儲陣列所採用的器件為鐵電場效應電晶體(FeFET)。如圖一所示,鐵電管與MOSFET非常相似,區別在於鐵電電晶體在柵極部分集成了鐵電層。
  • 半導體學報2021年第1期——後摩爾:新型存儲與神經形態計算的阻變器件專刊
    為了報導這一領域的最新進展和開創性工作,《半導體學報》特別邀請西安電子科技大學的郝躍院士擔任首席編輯,並邀請清華大學吳華強教授、北京大學楊玉超研究員、復旦大學劉琦教授、新加坡國立大學龔蕭助理教授、西安電子科技大學韓根全教授和中科院半導體研究所李明研究員擔任特約編輯,組織籌備了後摩爾專刊,該專刊將於2021年第1期和第2
  • 3nm、5nm關鍵技術
    而三星,才開始採用GAA工藝線路,寄希望於以此技術來達到彎道超車的目的。    下面介紹復旦微電子在GAA技術和工藝線路上的突破:  來自復旦大學微電子學院的消息,該校周鵬團隊針對具有重大需求的3-5nm節點電晶體技術,驗證了雙層溝道厚度分別為0.6 /1.2nm的圍柵多橋溝道電晶體(GAA,Gate All Around),實現了高驅動電流和低洩漏電流的融合統一,為高性能低功耗電子器件的發展提供了新的技術途徑。
  • 【專業解讀】微電子科學與工程
    微電子科學與工程專業主要研究新型電子器件及大規模集成電路的設計、製造,計算機輔助集成電路分析,各種電子器件的基礎理論、新型結構、製造工藝和測試技術,以及新型集成器件的開發。微電子科學與工程專業屬於工學大類,電子信息類,基本修業年限4年,畢業授予工學學士學位。
  • 復旦大學光電研究院、上海市智能光電與感知前沿科學研究基地正式揭牌
    光電研究領域是復旦大學傳統的學科優勢,光電科技及其密切相關的智能與量子領域已成為目前世界各國激烈爭奪的高科技戰略制高點。為建設國內領先、國際一流的前沿光電科學技術研究基地、人才培養基地和先進技術策源基地,為建設「第一個復旦」作出突出貢獻,復旦大學光電研究院於今年1月正式批覆成立,是校內獨立運行的二級實體研究機構。