深港微电子学院李毅达课题组在下一代存算芯片领域取得重要进展

2023-10-13 科研聚焦 浏览量：6265

近日，南方科技大学深港微电子学院李毅达助理教授课题组在下一代存算芯片领域取得重要进展，相关研究成果相继发表在国际顶级期刊Nature Communications、材料领域知名期刊Advanced Electronic Materials、ACS Omega（获选为封面文章）。

随着对数据驱动型应用（例如新一代机器学习加速器和物联网）需求的持续增长，传统的冯ž诺依曼架构面临着严重的“存储墙”挑战，硅基晶体管工艺制程的缩小进一步加剧了这种情况。为了突破该瓶颈，集存储单元和计算单元为一体的单片三维集成或者存内计算，成为一种潜在的解决方案。但用于CMOS后端集成的硅基技术受到低热负载（< 400 ℃）的限制，二维材料、氧化物半导体等这些超硅器件可以很好地兼容CMOS后端工艺。虽然如此，这些新型电子材料并不成熟，在材料、器件机理和生长工艺还需要非常深入的研究以实现未来产业化的可能。李毅达课题组致力于解决这些问题，在可CMOS后道集成的逻辑器件、新型存储器件发表了一系列的工作如下：

Nature Communications：用于实现CMOS后端兼容存储阵列和逻辑电路的高性能原子层沉积ZnO薄膜晶体管

氧化物半导体具有工艺温度低、透明度好、薄膜可大面积生长、电子迁移率高、能带隙宽等优点，这些优点使其适用于内存驱动电路以及基于高性能薄膜晶体管的逻辑电路。随着人们对实现具有新功能和超强计算能力的新型计算架构越来越感兴趣，开发高性能氧化物半导体晶体管以实现兼容CMOS 后端工艺的单片三维集成（M3D）电路已迫在眉睫。

在这项工作中，首先利用原子层沉积（ALD）工艺，实现了基于多晶ZnO半导体的高性能薄膜晶体管（TFT），该TFT的电子迁移率可达140 cm2/V·s，电流开关比>108，栅极漏电流<10-11 A。随后将该TFT集成到忆阻器（RRAM）阵列中，实现了可高速读取的1 kBit（32×32）的1T1R存储阵列。为了协同设计基于TFT的电路，该工作还对ZnO TFT做了器件建模（Compact Model），基于该器件模型，并实现了一个基于纯NMOS设计反相器的5级环形振荡器，该环形振荡器的工作频率可以达到44.85 MHz。

该项工作相关成果以“CMOS Backend-of-Line Compatible Memory Array and Logic Circuitries Enabled by High Performance Atomic Layer Deposited ZnO Thin-film Transistor”为题发表在国际顶级期刊 Nature Communications 上。该工作得到了深港微电子学院老师，以及其他合作单位（北京邮电大学、香港大学、上海交通大学）老师的支持。李毅达课题组2022级博士生王文辉为论文第一作者，李毅达为第一通讯作者，张盼盼(北京邮电大学)和林龙扬为共同通讯作者，南方科技大学深港微电子学院为论文第一通讯单位。

图1：可兼容CMOS后端集成的ZnO薄膜晶体管，及其存储阵列和逻辑电路

Advanced Electronic Materials：基于HfxZnyO的RRAM性能优化及其4K温度下的阻变特性研究

近年来，基于金属氧化物的RRAM已在人工神经网络(ANN)中应用，并取得了巨大成功，但其性能指标还具有进一步优化的空间。在此基础上，本项工作研究出了一种使用原子层沉积（ALD）制备掺锌氧化铪的阻变存储器（HfZnO RRAM）的合金化方法，并实现了器件性能的提升。与传统氧化铪（HfOx）RRAM相比，HfZnO RRAM具有更低的工作电压（相比之下减少超过20%）和阻变能耗（相比之下减少超过3倍），以及更均匀的电压和电阻分布。此外，通过使用恒压脉冲方案，HfZnO RRAM可以实现多态可调制特性（即模拟突触特性）且呈现出良好的可重复性。同时，本项工作也对HfZnO RRAM在4 K的超低温度下进行了表征，验证其低温下功能特性的同时阐明了其载流子传输机制。本项工作展示了掺杂RRAM在广泛温度范围内尤其是在低温下应用的潜力，包括将其应用于量子计算和深空探索。

该项工作相关成果以“Improved Performance of HfxZnyO-Based RRAM and its Switching Characteristics down to 4 K Temperature”为题发表在Advanced Electronic Materials上。该工作得到了深港微电子学院老师，以及其他合作单位（香港大学、上海交通大学、江波龙电子股份有限公司）老师的支持。李毅达课题组2023级博士生兰峻为论文第一作者，李毅达为通讯作者，南方科技大学深港微电子学院为论文第一通讯单位。

图2：基于HfxZnyO的RRAM器件结构及其突触特性和低温阻变特性

ACS Omega（封面文章）：采用液态金属做电极的全溶液制备、无机、多态忆阻器

本项工作报道了一种基于钒酸铋(BiVO4)和二氧化钛(TiO2)的溶液法的忆阻器件，该器件以镓基共晶镓-铟(EGaIn)和镓-铟-锡合金(GaInSn)液态金属作为顶电极。通过材料表征发现，BiVO4和TiO2形成了一种无孔结构，可以实现高效的电阻开关。此外，镓基液态金属(GLM)接触式忆阻器在−10至+90°C的宽温度范围内均表现出稳定的忆阻行为且能在室温下表现出优异的长程增强(LTP)和长程增强抑制(LTD)的突触行为。利用器件的突触特性在多层感知器(MLP)网络中进行模拟，可以实现约90%的手写识别准确率。这项研究结果为溶液制备发和基于GLM的忆阻器件铺平了道路，该类忆阻器可用于恶劣环境下柔性基板上的神经形态相关的应用场景中。

该项工作相关成果以“All Solution-Processed Inorganic, Multilevel Memristors Utilizing Liquid Metals Electrodes Suitable for Analog Computing”为题发表在ACS Omega上，并被主编选为当期封面文章。李毅达课题组博士后Muhammad Zaheer为论文第一作者，李毅达为通讯作者，南方科技大学深港微电子学院为论文第一通讯单位。

图3：纯溶液忆阻器件结构、阻变特性及其突触特性               图4：期刊封面

  论文链接:

1. Wang, W., Li, K., Lan, J. et al. CMOS backend-of-line compatible memory array and logic circuitries enabled by high performance atomic layer deposited ZnO thin-film transistor. Nat Commun 14, 6079 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41868-5

2. Lan, J., Li, Z., Chen, Z., Zhu, Q., Wang, W., Zaheer, M., Lu, J., Liang, J., Shen, M., Chen, P., Chen, K., Zhang, G., Wang, Z., Zhou, F., Lin, L., Li, Y., Improved Performance of HfxZnyO-Based RRAM and its Switching Characteristics down to 4 K Temperature. Adv. Electron. Mater. 2023, 9, 2201250. https://doi.org/10.1002/aelm.202201250

3. Muhammad Zaheer, Aziz-Ur-Rahim Bacha, Iqra Nabi, Jun Lan, Wenhui Wang, Mei Shen, Kai Chen, Guobiao Zhang, Feichi Zhou, Longyang Lin, Muhammad Irshad, Faridullah Faridullah, Awais Arifeen, and Yida Li, ACS Omega 2022 7 (45), 40911-40919. DOI: 10.1021/acsomega.2c03893