基于Ⅲ族氮化物半导体的非易失、可重构双端电光双工忆阻器研究进展

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基于Ⅲ族氮化物半导体的非易失、可重构双端电光双工忆阻器研究进展

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随着人工智能和物联网技术的快速发展，对信息处理效率的需求日益增长。传统的计算架构在数据传输过程中存在能耗高、延时长的问题。为了解决这一挑战，中国科学院长春光机所的研究团队成功研制了一种基于Ⅲ族氮化物半导体的非易失性、可重构双端电光双工忆阻器，为感存算一体化技术的发展开辟了新路径。

工作简介

随着人工智能和物联网技术的飞速发展，对信息的高效识别、存储和处理技术的需求日益迫切。传统冯·诺依曼计算架构由于数据在计算单元和存储单元间的频繁传输，导致显著的能耗和延时问题，限制了智能设备性能表现。发展基于光电忆阻器的感存算一体集成器件为突破这一瓶颈提供了契机，其通过光信号与电信号的协同作用来调节阻态，使其能够应用于图像采集、图像预处理以及人工视觉网络等领域。

III族氮化物半导体是第三代半导体的典型代表，具有直接、可调、宽带隙特点，光谱连续覆盖深紫外到近红外，同时具有高击穿电场、高电子饱和漂移速率、高热导、耐高温、抗辐照等优势，是研制光电子器件、功率电子器件与射频器件等的优选材料之一，也是优秀的半导体光电集成平台，被广泛应用于照明、显示、探测、通信等关键技术领域，是继Si和GaAs为代表的半导体之后最重要的半导体材料体系之一。发展基于III族氮化物半导体的光电忆阻器有望推动感存算技术的发展，同时也是氮化物半导体发展的新机遇。纤锌矿结构的AlScN材料因其独特的铁电特性，成为制备忆阻器的理想材料之一。相较于其他铁电材料，AlScN材料具有低介电常数、高剩余极化强度、高居里温度等优势，且与III族氮化物半导体器件制备技术相兼容。所以，无论是从材料生长的匹配性还是工艺开发的角度来看，开发基于AlScN与III族氮化物半导体的集成的感存算一体器件都具有重要的科学意义、经济价值和社会影响。但是，AlScN材料本身较弱的光敏特性与极强的矫顽场导致本身难以被光照直接诱导极化翻转，光信号难以非易失存储在器件中，实现感存算功能面临挑战。针对这一挑战，中国科学院长春光机所的黎大兵研究员、孙晓娟研究员带领的科研团队，成功研制了一种基于Ⅲ族氮化物半导体与AlScN的非易失性、可重构双端电光双工忆阻器。该忆阻器基于AlScN/GaN异质结构的肖特基二极管，如图1所示，利用GaN材料优异的光电特性和AlScN材料的铁电特性，实现了对存储窗口的精确控制，展现了在电学和光电模式下优异的非易失性和可重构性。在两种模式下，电流的开关比均可达到104的量级，并且电阻状态可以有效地被重置、写入和长期存储，如图2所示。

图 1. AlScN/GaN异质结肖特基二极管光电忆阻器结构示意图。

图 2. （a）电学驱动模式下IV回滞曲线；（b）电写入与电擦除过程输出电流；（c）光照效的正向IV回滞曲线；（d）光写入与电擦除过程电流输出。

电学模式下，通过改变AlScN层的铁电极化方向来调控器件的电阻状态，如图3所示；光电模式下，通过光强的变化来调节施加在AlScN层上的偏置，从而实现对存储窗口的光学控制，如图4所示。利用该器件的组合，团队成功复现了“IMP”真值表和逻辑“False”，证明了该忆阻器在存储器感知和计算领域的巨大潜力。

图3. 电驱动模式下，AlScN极化翻转引起阻态变化的原理图。

图 4. 光电驱动模式下，光诱导AlScN极化翻转引起阻态变化的原理图。

本工作的氮化物半导体电光双工忆阻器，基于“半导体光敏探测+铁电忆阻”的结构设计，仅在传统的AlScN电忆阻器结构中引入了GaN肖特基探测结构，即实现了AlScN基器件功能从单一的电忆阻扩展到光电忆阻，显著拓宽了其潜在应用范围，同时材料生长和器件制备过程与III族氮化物材料与器件完全兼容，且两端电极结构也有利于实现高密度集成，因此应用前景广阔。