近日，2019國(guó)際電子器件大會(huì)（IEDM）在美國(guó)舊金山召開。會(huì)上，微電子所劉明院士科研團(tuán)隊(duì)展示了新型存儲(chǔ)器件（選通管、可編程二極管）、負(fù)電容晶體管緊縮模型、類腦神經(jīng)元器件電路的最新研究成果。
在存儲(chǔ)器件方面，劉明團(tuán)隊(duì)提出了一種基于HZO鐵電薄膜極性反轉(zhuǎn)調(diào)制的電場(chǎng)可編程二極管及1T2D結(jié)構(gòu)的電壓輸出存儲(chǔ)單元（圖1）。針對(duì)二進(jìn)制神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)（BNN）應(yīng)用，提出了一種基于2T4D XNOR單元的無CSA的BNN架構(gòu)，其單元面積小（16 F2），效率高（387 TOPS / W）。
在器件模型方面，劉明團(tuán)隊(duì)提出了一種基于表面勢(shì)的連續(xù)的負(fù)電容晶體管（NCFET）緊縮模型（圖2）。該模型結(jié)合了多籌作用朗道理論、極化弛豫的時(shí)間特性和半經(jīng)典玻耳茲曼輸運(yùn)理論，首次得到?jīng)]有任何經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù)的表面勢(shì)解析解。模型與數(shù)值解和實(shí)驗(yàn)吻合，成功嵌入SPICE進(jìn)行電路仿真，為NCFET的設(shè)計(jì)-技術(shù)協(xié)同優(yōu)化(DTCO)提供了很好的幫助。
在類腦計(jì)算方面，劉明團(tuán)隊(duì)基于具有MIT轉(zhuǎn)變的NbOx器件構(gòu)建了一種1T1R結(jié)構(gòu)的脈沖神經(jīng)元電路（圖3），其輸出脈沖發(fā)放頻率與輸入電壓關(guān)系滿足ReLU激活函數(shù)。利用該神經(jīng)元電路構(gòu)建了320×10的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）到脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SNN）的轉(zhuǎn)換，摒棄了傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中ADC的使用。在MNIST庫(kù)上實(shí)現(xiàn)了與ANN相當(dāng)?shù)淖R(shí)別率。
基于上述成果的3篇研究論文入選2019國(guó)際電子器件大會(huì)。第一作者分別為羅慶副研究員、趙瑩博士、張續(xù)猛博士。三篇論文的通訊作者分別為呂杭炳研究員和劉明院士，李泠研究員和劉明院士，楊建華教授、劉琦研究員和劉明院士。
IEEE國(guó)際電子器件大會(huì)始于1954年，現(xiàn)已成為全球報(bào)道半導(dǎo)體及電子領(lǐng)域最新的科技、研發(fā)設(shè)計(jì)、制造、物理學(xué)及建模技術(shù)的主要論壇，旨在為產(chǎn)學(xué)研界的研究學(xué)者提供關(guān)于電子器件最新研究進(jìn)展和研究成果的國(guó)際交流平臺(tái)。
圖1 一種基于HZO鐵電薄膜極性反轉(zhuǎn)調(diào)制的電場(chǎng)可編程二極管(Field-Programmable Ferroelectric Diode)及1T2D結(jié)構(gòu)的電壓輸出存儲(chǔ)單元
圖2 基于表面勢(shì)的連續(xù)解析負(fù)電容場(chǎng)效應(yīng)晶體管緊縮模型，首次得到了表面勢(shì)連續(xù)解析解，在器件轉(zhuǎn)移等特性與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合，并成功用于電路仿真
圖3 一種基于NbOx器件的1T1R結(jié)構(gòu)的脈沖神經(jīng)元電路及輸出特性。首次構(gòu)建了320×10的硬件脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了ANN到SNN的轉(zhuǎn)換，摒棄了ANN中ADC的使用
科研工作