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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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。
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