清華新聞網(wǎng)10月20日電 在過(guò)去半個(gè)多世紀(jì)里，集成電路產(chǎn)業(yè)一直在晶體管微縮驅(qū)動(dòng)下發(fā)展（“摩爾定律”）。然而，隨著晶體管尺寸微縮難度的持續(xù)增加，性能提升的空間不斷縮小，集成電路的發(fā)展逐漸進(jìn)入“后摩爾”時(shí)代。在“后摩爾”時(shí)代，新型器件和電路功能將成為主要驅(qū)動(dòng)力。
基于阻變器件的神經(jīng)形態(tài)硬件是后摩爾時(shí)代新型技術(shù)的代表，具有類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能、存算一體和大規(guī)模并行計(jì)算的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有望突破馮·諾伊曼架構(gòu)的固有瓶頸。長(zhǎng)期以來(lái)，阻變器件面臨著“電流-保留時(shí)間”的矛盾，即受限于金屬導(dǎo)電細(xì)絲的固有特性，阻變器件狀態(tài)的保留時(shí)間與操作電流成正相關(guān)關(guān)系，這恰好與其實(shí)際使用需求相違背：長(zhǎng)期非易失存儲(chǔ)功能需要在較低的電流下實(shí)現(xiàn)以保證能耗優(yōu)勢(shì)，而短期易失選通功能則需要較大的打開(kāi)電流來(lái)保證讀出裕度。
針對(duì)上述問(wèn)題，清華大學(xué)精密儀器系類(lèi)腦計(jì)算團(tuán)隊(duì)提出基礎(chǔ)單質(zhì)半導(dǎo)體碲（Te）導(dǎo)電細(xì)絲的新型阻變器件技術(shù)，通過(guò)Te半導(dǎo)體導(dǎo)電細(xì)絲的生長(zhǎng)/斷裂實(shí)現(xiàn)器件的高/低電導(dǎo)切換。
圖1：Te導(dǎo)電細(xì)絲阻變器件的阻變特性曲線(xiàn)和Te細(xì)絲透射電子顯微圖像
該設(shè)計(jì)利用Te半導(dǎo)體材料具有電化學(xué)活性、低熔點(diǎn)，低導(dǎo)熱系數(shù)和低電導(dǎo)率的特點(diǎn)，反轉(zhuǎn)了阻變器件狀態(tài)的保留時(shí)間與操作電流的依賴(lài)關(guān)系。在微米尺度的器件里，長(zhǎng)期非易失存儲(chǔ)模式的操作電流可以低至幾個(gè)微安量級(jí)（在納米尺度的器件里可低至幾十皮安），而短期易失選通模式的操作電流可以達(dá)到幾個(gè)毫安量級(jí)?！半娏?保留時(shí)間”關(guān)系的反轉(zhuǎn)與Te導(dǎo)電細(xì)絲的使用密不可分：電化學(xué)生成的Te導(dǎo)電細(xì)絲相比于金屬導(dǎo)電細(xì)絲電阻更大，相同電壓下器件電流更低（低電導(dǎo)）；而在更大的電流下，Te導(dǎo)電細(xì)絲容易聚集焦耳熱（低熱導(dǎo)），使局部最高溫度超過(guò)Te熔點(diǎn)（低熔點(diǎn)），從而使導(dǎo)電細(xì)絲再度被熔斷，形成短期易失特性。這一性能成功破解了傳統(tǒng)阻變器件中普遍面臨的“電流-保留時(shí)間”矛盾，在同一個(gè)單器件上同時(shí)實(shí)現(xiàn)了能滿(mǎn)足應(yīng)用需要的存儲(chǔ)和選通兩種功能，并演示了“存儲(chǔ)-選通”單元同質(zhì)集成的可能性。
由于Te特有的電學(xué)-熱學(xué)性質(zhì)組合，利用Te導(dǎo)電細(xì)絲的阻變器件具有較大且獨(dú)特的潛在優(yōu)化空間，如電介質(zhì)熱導(dǎo)率優(yōu)化、保護(hù)電極的功函數(shù)、電負(fù)性?xún)?yōu)化等。
圖2：基于Te導(dǎo)電細(xì)絲的同質(zhì)集成1S1R單元及其阻變性能曲線(xiàn)
該研究成果近日以“半導(dǎo)體碲的新機(jī)遇：阻變器件制備”（A new opportunity for the emerging tellurium semiconductor: making resistive switching devices）為題，發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。
清華大學(xué)精密儀器系2018級(jí)博士生楊逸飛、徐明坤和復(fù)旦大學(xué)芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院博士后賈淑靜為本文的共同第一作者。清華大學(xué)精密儀器系李黃龍副教授、裴京副研究員，機(jī)械工程系劉大猛副教授和北京信息科技大學(xué)段文睿講師為該文的共同通訊作者，該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程、北京市腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心、科技部重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)、北京市重大專(zhuān)項(xiàng)等的資助。
該項(xiàng)成果是近年來(lái)精儀系類(lèi)腦計(jì)算團(tuán)隊(duì)在類(lèi)腦硬件方面所取得的又一項(xiàng)原創(chuàng)性成果。2014年9月，由精儀系類(lèi)腦計(jì)算團(tuán)隊(duì)發(fā)起，聯(lián)合了清華大學(xué)校內(nèi)七個(gè)院系組成了清華大學(xué)類(lèi)腦計(jì)算研究中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中心”），是國(guó)內(nèi)最早進(jìn)行全方位類(lèi)腦智能研究的中心，涉及類(lèi)腦計(jì)算模型和算法、類(lèi)腦計(jì)算芯片、類(lèi)腦計(jì)算軟件、類(lèi)腦計(jì)算系統(tǒng)和應(yīng)用等多個(gè)層面。
近年來(lái)，中心在類(lèi)腦計(jì)算領(lǐng)域取得了一系列先進(jìn)成果：2015年研發(fā)了第一代芯片類(lèi)腦芯片——Tianjic?芯片，是世界上首款異構(gòu)融合芯片，可同時(shí)運(yùn)行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANNs）和脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SNNs）；2017年發(fā)展了基于28納米的第二代Tianjic?芯片；天機(jī)芯片異構(gòu)融合架構(gòu)相關(guān)成果于2019年被《自然》（Nature）期刊以封面形式報(bào)道，同年入選科技部評(píng)選的“十大科學(xué)進(jìn)展”和世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)評(píng)選的“領(lǐng)先科技成果”。中心注重類(lèi)腦計(jì)算科技成果的產(chǎn)業(yè)化，不斷探索新型的類(lèi)腦計(jì)算產(chǎn)學(xué)研模式。發(fā)起國(guó)際大學(xué)生類(lèi)腦計(jì)算大賽并連續(xù)三年主辦（2017-2019）；于2018年孵化了北京靈汐科技有限公司（國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)、中關(guān)村顛覆性創(chuàng)新企業(yè)）；于2020年發(fā)起成立清華大學(xué)-中電?？导瘓F(tuán)有限公司類(lèi)腦計(jì)算聯(lián)合研究中心。目前，中心已經(jīng)研發(fā)出第三代Tianjic芯片，可運(yùn)行更大更深更復(fù)雜的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段。
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https://doi.org/10.1038/s41467-021-26399-1
供稿：精儀系
編輯：李華山
審核：呂婷
