馮·諾依曼計算體系架構(gòu)因其物理上的“存”“算”分離的物理特征，導致計算效率難以滿足未來人工智能對高性能、低功耗并行計算的需求。隨著“后摩爾時代”到來，基于非易失性存儲器的神經(jīng)形態(tài)計算成為未來可期的并行計算技術之一。高性能人工突觸器件是實現(xiàn)高效神經(jīng)形態(tài)計算的關鍵問題?；阼F電材料的鐵電隧道結(jié)(FTJ)存儲器具有大的開關比、低能耗、電導的連續(xù)可調(diào)和良好的器件均勻性等優(yōu)點，是一種潛在的人工電子突觸器件。相較于傳統(tǒng)的鈣鈦礦鐵電材料薄膜，新型的鐵電氧化鉿（HfO2）基材料具有組分簡單、厚度薄（≤5 nm）、鐵電性優(yōu)異、與金屬氧化物半導體工藝（CMOS）兼容等優(yōu)點，成為了研究熱點。特別的，相較于多晶的鐵電氧化鉿薄膜，外延生長的摻雜氧化鉿基鐵電薄膜呈現(xiàn)出更有序的疇結(jié)構(gòu)和更優(yōu)異的鐵電性能，這可能有利于鐵電隧道結(jié)器件電阻的翻轉(zhuǎn)。然而，外延鐵電氧化鉿薄膜在人工突觸器件中的應用研究，尤其是材料特性與器件性能之間的相關性以及相關的物理機制的研究仍然十分缺乏。

近日，西安交通大學電子科學與工程學院電子陶瓷與器件教育部重點實驗室任巍教授和牛剛教授團隊研究了一種基于外延的鋯摻雜氧化鉿(Hf0.5Zr0.5O2，HZO)鐵電薄膜的人工突觸器件，并在神經(jīng)形態(tài)計算應用中取得驗證。研究了HZO薄膜厚度與其鐵電特性的關系，經(jīng)過優(yōu)化后的外延HZO薄膜具有優(yōu)異的鐵電性能（Pr~25 μC cm-2）、高達~930 ℃的居里溫度和均一的初始極化方向?；趦?yōu)化后的氧化鉿薄膜，研究團隊制備了鐵電隧道結(jié)器件并用于人工電子突觸器件模擬。研究表明基于HZO薄膜的鐵電隧道結(jié)器件具有較高的開關比（>500）、較好的電導調(diào)制特性，在線性脈沖序列激勵下，在1-250 nS內(nèi)實現(xiàn)了可靠的電導調(diào)制以及較高的器件保持特性（>104s）。得益于HZO薄膜優(yōu)異的鐵電性和均一的鐵電疇分布，該器件成功地模擬了突觸的基本行為，如長期增強(LTP)、長期抑制(LTD)和脈沖時間依賴性可塑性(STDP)等。在此基礎上，該突觸器件的人工神經(jīng)網(wǎng)絡仿真顯示出93.7%識別精度。這些結(jié)果展示了基于外延鐵電HZO薄膜的鐵電隧道結(jié)在人工突觸應用中的巨大潛力，為未來的神經(jīng)形態(tài)計算的實現(xiàn)提供了一條新途徑。

該成果以“基于具有均勻極化和高居里溫度的外延鐵電鋯摻雜氧化鉿薄膜的高性能電子突觸器件”(A robust high-performance electronic synapse based on epitaxial ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2films with uniform polarization and high Curie temperature)為題發(fā)表在《今日應用材料》(Applied Materials Today)上。西安交通大學牛剛教授和任巍教授為該論文的通訊作者，西安交通大學博士生王延昆和王強為論文共同第一作者，西安交通大學機械學院蔣莊德院士為論文共同作者。論文的合作單位還包括柏林工業(yè)大學、德國萊布尼茨晶體生長研究所等單位。

西安交通大學電信學部電子學院電子陶瓷與器件教育部重點實驗室任巍教授、牛剛教授課題組長期從事“后摩爾”功能薄膜與硅的異質(zhì)集成和非易失性存儲器件的研究。近年來在“后摩爾”時代綠色環(huán)保的無鉛介電、壓（鐵）電功能薄膜與集成器件方面取得了系列成果，研究論文已經(jīng)發(fā)表于Nat. Commun.、ACS Nano、IEEE Electron. Dev. Lett.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Sensor Actuat. B和J. Mater. Chem. C 等期刊上。（來源：西安交大）