鳍式突触器件结构表面的二维WSe2/高k介质界面调控及应用
批准号:
62101044
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
马远骁
依托单位:
学科分类:
物理电子学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
马远骁
中文摘要
随着“后摩尔时代”到来,研究面向新型类脑神经计算的元器件是近年来的国际前沿和热点课题。新型二维材料WSe2具有优良电学特性和低热损耗优势,拥有在仿神经元器件中应用的巨大潜力。瞄准仿神经元器件的低功耗、高集成需求,本项目将基于鳍式场效应管器件结构,构筑并调控新型WSe2/高k电介质界面,发挥WOx的存储功能,设计构建新型鳍式突触器件:1)研究WSe2与掺杂高k介质的接触界面,探索缺陷分布与起源,调控优化界面质量;2)探究氧成分(x系数)对氧空位迁移、金属离子累积扩散等潜在忆阻机理影响,实现多类突触可塑性模拟;通过栅控电压调控WSe2沟道层导电性,获得神经调制机理模拟,实现多机制突触器件;3)获得低功耗、高集成的鳍式场效应管以及功能丰富的鳍式人工突触器件。本项目实施有望实现高性能WSe2鳍式人工突触器件,拓展二维材料与高k电介质的结合应用,为未来高集成类脑计算元器件提供可选方案。
英文摘要
As frontier research topics, research works about neuromorphic devices serving brain-inspired computing have attracted much attention. Meanwhile as newly-emerging two-dimensional material, tungsten diselenide (WSe2) has excellent electrical characteristics and low thermal loss, indicating its potential for applications in future electronic devices. Aiming at the required low-power and high-integration capabilities for neuromorphic devices, this project will combine WSe2 with high-k dielectrics and exploit functions of WOx on fin-FET architecture, designing and constructing fin synaptic device: 1) Interface between WSe2 and high-k dielectrics will be investigated meanwhile distribution and origins of interface defects will be explored, improving the interface quality. 2) Effects of x factor on underlying memristive mechanics, including oxygen vacancies migration, ions diffusion, will be explored, achieving simulation on various synaptic plasticities. Neuromodulation will be simulated by modifying conductance of WSe2 channel with gate voltage, obtaining synaptic device with multi-neuromorphic mechanics. 3) multifunctional fin synaptic device with low-power and high-integration capabilities, as well as fin transistor with high carrier mobility will be obtained. High-performance WSe2 fin synaptic devices will be achieved in this project, which helps explore prospects for combination between 2D materials and high-k dielectrics, meanwhile provide possible route for future devices serving brain-inspired computing.
过去几十年,以计算机为代表的计算器件沿着“摩尔定律”道路持续发展,并且随着器件尺寸逐渐逼近物理极限,进入“后摩尔时代”。由于传统计算架构中“冯·诺依曼”瓶颈等问题的存在,这种减小器件尺寸、提高集成度的发展方向逐渐受到挑战,亟需探索发展新材料、新概念、新器件。与传统计算机相比,人脑可以看作一个低功耗,高集成,并且可以并行实现诸多功能的生物计算机,加上目前人工智能(AI)技术快速发展的背景下,硬件实现类脑神经计算是基于新概念的国际前沿课题,而是关键是制备具有阻变能力的人工突触器件。一方面,氧化物具有天然的氧空位等缺陷,具备便捷的阻变调控能力,另一方面相比于传统半导体材料,二维材料可以实现单个或几个原子层的低维结构制备,能够兼备高迁移率、热损低、柔性、忆阻特性等诸多特点,并且可针对不同需求实现带隙的便捷调整,是拥有在新概念器件中良好应用前景的一类新材料。本项目面向高集成、多功能、低功耗优势的人工突触器件需求,开展了薄膜制备、界面改善、器件集成的链条式研究内容,具体包括高质量掺杂高k栅介质薄膜制备、氧空位对氧化物忆阻行为的影响机制、易失性/非易失性忆阻器的构筑以及二维半导体对忆阻器件性能及集成的提升等研究工作。最终,在室温工艺下实现了纳米级平整的掺杂高k栅介质(0.24纳米粗糙度);此外,制备了在10000秒循环测试下稳定的人工突触器件,并基于该器件模拟人工神经网络获得了高达90%的学习精度,以及高达108开关比人工突触集成架构;最后,通过利用二维材料的孔状结构,结合氧化物半导体在单一人工突触器件上实现了易失性和非易失性的可调。本项目所取得的成果对热弄突触器件的室温构筑与神经网络的室温集成工艺的探索具有重大意义。
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