质子介导法为下一代内存设备和神经形态计算芯片提供动力

由阿卜杜拉国王科技大学领导的研究人员发现了一种质子介导的方法，这种方法可以诱导铁电材料中的多个相变，从而有可能促进高性能、低功耗存储设备和神经形态计算芯片的开发。该团队的目标是提高能耗更低、运行更快的存储器件和铁电神经形态计算芯片的存储容量。

硒化铟等铁电材料本身具有极性，在受到电场作用时可以改变极性。这一特性使它们成为开发存储器技术的一个极具吸引力的选择。由此产生的存储器件在低电压下工作时，具有卓越的读/写耐久性和写入速度。然而，它们的存储容量有限。

该研究的共同负责人何新解释说，容量限制源于目前的技术只能诱导少数几个铁电相，而记录这些铁电相给实验带来了巨大挑战。他在薛飞和张锡祥的指导下开展了这项研究。

研究小组的铁电神经形态计算芯片正在实验室进行测试。图片来源：© 2023 KAUST; Fei Xue.

研究团队的新方法以硒化铟的质子化为基础，从而产生多种铁电相。研究人员将这种铁电材料纳入了一个由硅支撑的堆叠异质结构组成的晶体管中进行评估。

他们在异质结构上层叠了一层硒化铟薄膜，异质结构由嵌套在底部铂层和顶部多孔二氧化硅之间的氧化铝绝缘片组成。铂层充当外加电压的电极，而多孔二氧化硅则充当电解质，为铁电薄膜提供质子。

研究人员通过改变外加电压，逐渐从铁电薄膜中注入或移除质子。这就可逆地产生了几种具有不同质子化程度的铁电相，而质子化对于实现具有巨大存储容量的多级存储设备至关重要。

正电压越高，质子化程度越高；负电压越高，质子化程度越低。质子化水平的变化还取决于薄膜层与二氧化硅的距离。在与二氧化硅接触的底层，质子化水平达到最高值，而在顶层，质子化水平逐级降低，达到最低值。

令人意想不到的是，当电压关闭时，质子诱导的铁电相又恢复到初始状态。薛解释说：'我们观察到这种不寻常的现象，是因为质子从材料中扩散出来，进入了二氧化硅。'

通过创造一种与二氧化硅具有平滑、连续界面的薄膜，研究小组实现了一种质子注入效率高、工作电压低于 0.4 伏特的设备。这是开发低功耗存储器件的一个重要因素。

薛承认，降低工作电压是一项重大挑战，但他解释说，界面上的质子注入效率可以控制工作电压，并可进行相应调整。他说：'我们面临的最大挑战是降低工作电压，但我们意识到，接口上的质子注入效率控制着工作电压，并可以进行相应的调整。我们致力于开发能耗更低、运行更快的铁电神经形态计算芯片。'