面向存算一体应用的可重构铪基FeFET的易失-非易失双模动态调控
批准号:
92164108
项目类别:
重大研究计划
资助金额:
82.0 万元
负责人:
唐明华
依托单位:
学科分类:
新型信息器件
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
唐明华
中文摘要
面向后摩尔时代急需发展的超低能耗信息处理新器件新机理、提升存算一体芯片算力等重大战略需求,基于氧化铪基FeFET功耗低、开关比高、工艺兼容性好等突出优势,针对Hf0.5Zr0.5O2(HZO)的铁电性起源及稳定性机理不清、负电容机制及调控方法欠缺等关键科学问题,采用HZO基可重构FeFET(RFeFET)新结构器件,通过调控制备工艺参数、优化器件尺寸,获得稳定的铁电相和负电容效应,发展负电容的实验测试方法;厘清HZO薄膜的铁电性起源及铁电相稳定性机理,探索HZO薄膜负电容的物理机制和影响因素,为负电容RFeFET提供清晰的物理图像和器件设计规则;探索RFeFET的易失-非易失双模动态调控方法及规律,并构建人工神经元和神经突触;建立自洽的基于物理的RFeFET的器件模型及与电路仿真兼容的SPICE模型。研究成果可以为后摩尔时代新器件基础研究提供有益的科学依据和技术支撑。
英文摘要
Developing new mechanisms of ultra-low energy consumption information processing devices and improving computing power of computing-in-memory chips are in great and crucial demand in the post Moore era. In this work, we propose a novel structure device of reconfigurable FeFET (RFeFET) based on ferroelectricity of Hf0.5Zr0.5O2 (HZO), by taking advantage of hafnium oxide based FeFET, such as the low power consumption, high switching ratio, and good process compatibility, to investigate some fundamental scientific issues such as the poorly known origin and stability mechanism of HZO and the lacking of negative capacitance mechanism and control methods. The device can be employed to obtain a stable ferroelectric phase and the negative capacitance effect through adjusting and controlling the fabrication process parameters and optimizing the device size, and to further develop an experimental test method for the negative capacitance. This work can also significantly improve our understanding of the ferroelectric origin, ferroelectric phase stability mechanism of HZO, and physical mechanism and influencing factors of the negative capacitance, leading to the provision of the clear physical image and device design rules for the negative capacitance FeFET. Other scientific studies are also tremendously benefited from this work, including the methods and rules of RFeFET's volatile-nonvolatile dual-mode dynamic modulation, the construction of artificial neuron and synapse by the use of RFeFET, and the creation of self-consistent RFeFET device model based on physics and SPICE model compatible with circuit simulation. The results in this work provide significant scientific and technical insights into the fundamental research and realization of the new devices in the post Moore era.
本项目面向大数据、物联网和人工智能等国家重大战略需求,针对后摩尔时代的芯片算力瓶颈问题和1fJ以下的开关能耗目标,利用可重构FeFET的负电容效应及易失-非易失双模动态可调特性,开展了超越CMOS的新原理逻辑、存储、感知器件及其材料、集成技术研究,构建后摩尔时代超低能耗新器件,研究了生物启发新原理器件与功能单元,探索新型存算一体架构,实现基于铁电场效应晶体管的超低功耗存算一体架构设计的终极目标。.主要研究内容包括:(1)Hf0.5Zr0.5O2(HZO)薄膜的制备、铁电相稳定性机理及调控方法,(2)铁电负电容效应机理、实验测定方法及稳定实现途径,(3)n/p-RFeFET及其4×4阵列的制备、器件模型及动态可重构模式调控方法和(4)基于RFeFET的多操作数存算一体阵列架构。.通过研究,项目建立了精确、自洽的器件模型,揭示了氧化铪基铁电薄膜的铁电性和负电容稳定性机理,阐明了HfO2基铁电薄膜的亚稳相-稳相转变的物理图像,并提出了有效的调控方法,以提高RFeFET器件的一致性和可靠性;发展了一种铁电负电容的实验测试方法,自主搭建负电容实验测试平台;成功制备出器件及存储阵列,构建了基于RFeFET的动态可重构操作模式,厘清了读/写/保持/计算的动态可重构操作机制及调控规律;设计了两种存算一体架构,发展了基于RFeFET模拟神经元和神经突触的调控规律及方法,探索了器件在超低功耗存算一体应用方面的有效途径。.在基金的支持下,本项目在Advanced Functional Materials、Physical Review Letters、Advanced Science、npj Computational Materials等期刊共发表学术论文23篇、国际会议论文3篇,参加国内外学术会议16次,培养博士研究生2名、硕士研究生9名,申请国家发明专利4项(授权2项)。研究成果被Nature Nanotechnology 18 (2023) 422-441; Nature Reviews Electrical Engineering, 1 (2024) 374-390等国际知名期刊正面引,为核心科学问题“CMOS器件能耗边界及突破机理”提供了有益的理论和器件基础。
基于忆阻器多模态存算一体阵列研究
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批准号:2023JJ50009
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2023
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负责人:唐明华
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依托单位:
面向存算一体应用的可重构铪基FeFET的易失-非易失双模动态调控
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:82万元
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批准年份:2021
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负责人:唐明华
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依托单位:
氧化哈基自整流阻变存储器的机理及性能调控
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批准号:2018JJ4037
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2018
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负责人:唐明华
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依托单位:
基于自旋极化多铁隧道结的多值存储研究
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批准号:51472210
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项目类别:面上项目
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资助金额:83.0万元
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批准年份:2014
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负责人:唐明华
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依托单位:
铁电栅场效应晶体管存储器的单粒子效应研究
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批准号:61274107
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项目类别:面上项目
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资助金额:90.0万元
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批准年份:2012
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负责人:唐明华
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依托单位:
LCMO/BNT磁电超晶格复合薄膜与磁电耦合效应调制
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批准号:51072171
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项目类别:面上项目
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资助金额:39.0万元
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批准年份:2010
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负责人:唐明华
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依托单位:
无铅铁电薄膜场效应晶体管的保持性能
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批准号:60876054
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项目类别:面上项目
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资助金额:35.0万元
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批准年份:2008
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负责人:唐明华
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依托单位:
国内基金
海外基金