近日，南边科技年夜学深港微电子学院李毅达助理传授课题组于下一代存算芯片范畴取患上主要进展，相干研究结果接踵发表于国际顶级期刊Nature Co妹妹unications、质料范畴知名期刊Advanced Electronic Materials、ACS Omega（获选为封面文章）。

跟着对于数据驱动型运用（例如新一代呆板进修加快器及物联网）需求的连续增加，传统的冯ž诺依曼架构面对着严峻的“存储墙”挑战，硅基晶体督工艺制程的缩小进一步加重了这类环境。为了冲破该瓶颈，集存储单位及计较单位为一体的单片三维集成或者者存内计较，成为一种潜于的解决方案。但用在CMOS后端集成的硅基技能遭到低热负载（ 400 ℃）的限定，二维质料、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。虽然云云，这些新型电子质料其实不成熟，于质料、器件机理及生长工艺还有需要很是深切的研究以实现将来财产化的可能。李毅达课题组致力在解决这些问题，于可CMOS后道集成的逻辑器件、新型存储器件发表了一系列的事情以下：

Nature Co妹妹unications：用在实现CMOS后端兼容存储阵列及逻辑电路的高机能原子层沉积ZnO薄膜晶体管

氧化物半导体具备工艺温度低、透明度好、薄膜可年夜面积生长、电子迁徙率高、能带隙宽等长处，这些长处使其合用在内存驱动电路以和基在高机能薄膜晶体管的逻辑电路。跟着人们对于实现具备新功效及超强计较能力的新型计较架构愈来愈感兴致，开发高机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）电路已经刻不容缓。

于这项事情中，起首使用原子层沉积（ALD）工艺，实现了基在多晶ZnO半导体的高机能薄膜晶体管（TFT），该TFT的电子迁徙率可达140 cm2/V·s，电流开关比 108，栅极泄电流 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。为了协同设计基在TFT的电路，该事情还有对于ZnO TFT做了器件建模（Compact Model），基在该器件模子，并实现了一个基在纯NMOS设计反相器的5级环形振荡器，该环形振荡器的事情频率可以到达44.85 MHz。

该项事情相干结果以“CMOS Backend-of-Line Compatible Memory Array and Logic Circuitries Enabled by High Performance Atomic Layer Deposited ZnO Thin-film Transistor”为题发表于国际顶级期刊 Nature Co妹妹unications上。该事情获得了深港微电子学院教员，以和其他互助单元（北京邮电年夜学、中国香港年夜学、上海交通年夜学）教员的撑持。李毅达课题组2022级博士生王文辉为论文第一作者，李毅达为第一通信作者，张盼盼(北京邮电年夜学)及林龙扬为配合通信作者，南边科技年夜学深港微电子学院为论文第一通信单元。

图1：可兼容CMOS后端集成的ZnO薄膜晶体管，和其存储阵列及逻辑电路

Advanced Electronic Materials：基在HfxZnyO的RRAM机能优化和其4K温度下的阻变特征研究

最近几年来，基在金属氧化物的RRAM已经于人工神经收集(ANN)中运用，并取患了巨年夜乐成，但其机能指标还有具备进一步优化的空间。于此基础上，本项事情研究出了一种利用原子层沉积（ALD）制备掺锌氧化铪的阻变存储器（HfZnO RRAM）的合金化要领，并实现了器件机能的晋升。与传统氧化铪（HfOx）RRAM比拟，HfZnO RRAM具备更低的事情电压（比拟之下削减跨越20%）及阻变能耗（比拟之下削减跨越3倍），以和更匀称的电压及电阻漫衍。此外，经由过程利用恒压脉冲方案，HfZnO RRAM可以实现多态可调制特征（即模仿突触特征）且出现出优良的可反复性。同时，本项事情也对于HfZnO RRAM于4 K的超低温度下举行了表征，验证其低温下功效特征的同时阐了然其载流子传输机制。本项事情展示了掺杂RRAM于广泛温度规模内特别是于低温下运用的潜力，包括将其运用在量子计较及深空摸索。

该项事情相干结果以“Improved Performance of HfxZnyO-Based RRAM and its Switching Characteristics down to 4 K Temperature”为题发表于Advanced Electronic Materials上。该事情获得了深港微电子学院教员，以和其他互助单元（中国香港年夜学、上海交通年夜学、江波龙电子株式会社）教员的撑持。李毅达课题组2023级博士生兰峻为论文第一作者，李毅达为通信作者，南边科技年夜学深港微电子学院为论文第一通信单元。

图2：基在HfxZnyO的RRAM器件布局和其突触特征及低温阻变特征

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

本项事情报导了一种基在钒酸铋(BiVO4)及二氧化钛(TiO2)的溶液法的忆阻器件，该器件以镓基共晶镓-铟(EGaIn)及镓-铟-锡合金(GaInSn)液态金属作为顶电极。经由过程质料表征发明，BiVO4及TiO2形成为了一种无孔布局，可以实现高效的电阻开关。此外，镓基液态金属(GLM)接触式忆阻器于−10至+90°C的宽温度规模内均体现出不变的忆阻举动且能于室温下体现出优秀的长程加强(LTP)及长程加强按捺(LTD)的突触举动。使用器件的突触特征于多层感知器(MLP)收集中举行模仿，可以实现约90%的手写辨认正确率。这项研究成果为溶液制备发及基在GLM的忆阻器件摊平了门路，该类忆阻器可用在卑劣情况下柔性基板上的神经形态相干的运用场景中。

该项事情相干结果以“All Solution-Processed Inorganic, Multilevel Memristors Utilizing Liquid Metals Electrodes Suitable for Analog Computing”为题发表于ACS Omega上，并被主编选为当期封面文章。李毅达课题组博士后Muha妹妹ad Zaheer为论文第一作者，李毅达为通信作者，南边科技年夜学深港微电子学院为论文第一通信单元。

图3：纯溶液忆阻器件布局、阻变特征和其突触特征 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 Co妹妹un14, 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.Muha妹妹ad Zaheer, Aziz-Ur-Rahim Bacha, Iqra Nabi, Jun Lan, Wenhui Wang, Mei Shen, Kai Chen, Guobiao Zhang, Feichi Zhou, Longyang Lin, Muha妹妹ad Irshad, Faridullah Faridullah, Awais Arifeen, and Yida Li, ACS Omega20227(45), 40911-40919.DOI: 10.1021/acsomega.2c03893