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博文

半导体学报2023年第5期——中文导读

已有 1978 次阅读 2023-6-7 10:46 |系统分类:论文交流

   综  述  


铪基氧化物铁电特性及其应用的研究现状与展望

铪基氧化物铁电薄膜拥有稳定、良好、独特的铁电极化与微缩特性,且与集成电路技术领域主流CMOS工艺兼容,因此关于铪基氧化物铁电薄膜与器件的理论与技术研究成为当前微电子集成电路技术领域与凝聚态固体物理研究领域前沿热门研究问题。尽管性能优异的铁电薄膜与器件已经在大量的实验研究报告中展示,关于其铁电性的物理起源及其模型表征的理论与方法已有比较深入的阐述,但理论及模型预测与实验结果之间存在许多不一致乃至矛盾之处,因此,关于铪基氧化物铁电性的本征的微观物理起源与机制仍在持续探索研究阶段,铪基氧化物铁电器件特性的模型表征与优化设计缺少统一系统的理论方法与指导,这成为当前制约铪基氧化物铁电器件与电路技术发展应用的瓶颈问题,需要开展进一步深入系统的理论与实验研究予以解决。

本综述论文对近年来关于铪基氧化物铁电性及其器件应用的研究工作进展情况及其面临的挑战和可能解决途径,进行了系统性的概述、总结。主要包括:1)铪基氧化物器件中观测到的铁电特性及其相关的影响因素;2)关于铪基氧化物铁电性的物理起源探索及其相关理论计算方法研究方面的进展;3)铪基氧化物铁电薄膜和器件的宏观、微观特性表征技术与研究方法;4)基于铪基氧化物铁电存储器件特性发展的物理模型与模拟方法;5)铁电存储器件性能优化方法探讨与分析;以及6)铁电器件在新型存储与计算系统中的可能应用场景等。

最后,在未来研究展望中,基于作者及其合作者在合理的物理假设前提下,利用系统化的微观电镜表征技术和理论计算相结合的手段,对铪基氧化物铁电特性物理起源研究所进行的新的理论计算与实验表征研究中取得的最新研究进展,对进一步拟开展的铪基氧化物铁电特性物理机制及其优化设计理论方法等问题进行了展望与评述。本综述将为铪基氧化物铁电特性理论的研究探索、器件特性调控与优化方法理论基础的建立,为推动基于新型铁电、忆阻等特性的新原理、新功能器件的设计与应用,提供有益的参考。

该文章以题为“Ferroelectricity of hafnium oxide-based materials: Current status and future prospects from physical mechanisms to device applications”发表在Journal of Semiconductors上。

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图1. 氧空位引起的极化和极化翻转路径。

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图2. 铁电器件在存储金字塔中的位置。


文章信息:

Ferroelectricity of hafnium oxide-based materials: Current status and future prospects from physical mechanisms to device applications

Wanwang Yang, Chenxi Yu, Haolin Li, Mengqi Fan, Xujin Song, Haili Ma, Zheng Zhou, Pengying Chang, Peng Huang, Fei Liu, Xiaoyan Liu, Jinfeng Kang

J. Semicond. 2023, 44(5): 053101  doi: 10.1088/1674-4926/44/5/053101

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易失性阈值转变忆阻器:AIoT时代的新兴推动者


随着人工智能(AI)和物联网(IoT)的快速发展与深度融合,AIoT已成为备受关注的新兴技术,悄然改变着人们的日常生活。然而,数据的爆炸式增长对AIoT系统的信息存储和处理能力提出了挑战。易失性阈值转变忆阻器作为一种新兴的纳米器件,具有结构简单、低功耗、易集成,以及与CMOS工艺兼容等优势,被广泛应用于选通管、人工神经元、真随机数产生(TRNG)等领域,有助于高密度存储和高能效计算的硬件实现,推动AIoT技术的发展。

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图1. 面向AIoT系统中数据与信息的采集、存储、处理以及传输,易失性阈值转变器件的具体应用场景:痛觉感知器/人工感知神经元、选通管、脉冲人工神经元、TRNG等。


近日,华中科技大学李祎副教授、缪向水教授团队对近年来易失性阈值转变忆阻器的研究进展进行了系统性的概述与总结。主要包括:

(一)易失性忆阻器的分类与物理机制。依据器件阻变机理,可以将易失性忆阻器分为金属导电细丝型、OTS型和MIT型三类,并对三类器件的材料、结构、性能、机理进行了详细介绍。

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图2. 三种易失性阈值转变器件:金属导电细丝型、OTS和MIT。


(二)面向AIoT系统中数据与信息的采集(传感)、存储、处理(计算)和传输安全,详细分析了易失性阈值转变忆阻器的应用场景,具体包括:

1) 选通管(Selector)。为了抑制交叉存储阵列的漏电流问题,往往引入选通管与存储单元集成设计。相比于非易失性器件,易失性忆阻器作为选通管时,不需要额外的复位操作,简化了外围电路的设计,有助于存储芯片的高密度集成;

2) 硬件安全(Hardware Security)。由于易失性忆阻器的本征随机特性,比如Vth的波动性,使其可以作为熵源,用于物联网安全验证的真随机数产生器(TRNG),以及物理硬件的唯一特征指纹——物理不可克隆函数(PUF);

3) 人工神经元(Artificial Neurons)。易失性忆阻器与生物神经元有极大的相似性,可以极其忠实的模拟生物神经元的功能,比如全或无(all-or-nothing)、阈值激发、不应期等;

4) 人工感知器。易失性忆阻器可以与其他器件串联,用于人工感知器,比如痛觉感知器,可以对外部的刺激信号(光、声、电、压力等)进行收集与传递;

5) 其他方面的应用。易失性忆阻器还可以应用于超陡亚阈值摆幅晶体管(Steep Subthreshold Slope Transistor)、逻辑器件等。

最后,针对不同的应用场景,对易失性忆阻器的性能特点进行了总结,并提出可行的性能优化方向。同时,对其应用场景的发展进行了总结与展望。

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图3. 三类易失性阈值转变器件的性能特点与比较。


该文章以题为“Volatile threshold switching memristor: An emerging enabler in the AIoT era”发表在Journal of Semiconductor上。

文章信息:

Volatile threshold switching memristor: An emerging enabler in the AIoT era

Wenbin Zuo, Qihang Zhu, Yuyang Fu, Yu Zhang, Tianqing Wan, Yi Li, Ming Xu, Xiangshui Miao

J. Semicond. 2023, 44(5): 053102  doi: 10.1088/1674-4926/44/5/053102

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  研究论文 

超高迁移率a-ZnAlSnO薄膜晶体管

非晶氧化物半导体(AOS)是一种新型的半导体材料,AOS薄膜晶体管(TFT)具有制程温度低(可室温制备)、大面积均匀沉积、可见光透明、工艺兼容性好等优势,是新一代显示技术的核心元件。2004年,Nomura等人以非晶InGaZnO薄膜为沟道层,在PET衬底上制备出透明TFT,文章发表在Nature上,该论文被认为是透明电子学一个里程碑式的进展,开创了AOS TFT的研究方向。与结晶态氧化物相比,非晶态氧化物表面非常平整,若能同时具有较高的迁移率,则为TFT沟道层材料的最佳选择,能够显著提高器件的良率,而InGaZnO恰好具备这些性能,因而成为目前研究的主流AOS材料。三星、LG等几家知名的半导体公司利用InGaZnO TFT阵列,已制造出12英寸有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)和15英寸有源矩阵液晶显示器(AMLCD)的原型产品。目前,人们对a-InGaZnO TFT有了越来越多的研究,在InGaZnO中,Zn是基体元素,In提供载流子迁移的通道,Ga为载流子浓度控制元素。但是该材料也存在显著不足之处,In是一种稀有贵重金属,地质储量极其有限,成本很高,可持续发展也受到限制,因而人们亟需开发一种无In的AOS材料。

针对上述科技难题,浙江大学叶志镇院士团队吕建国课题组开展了大量的研究工作,设计无铟AOS材料,构建了a-ZnMSnO新体系,其中,Zn为基体元素,Sn具有4d105s0球形电子云结构,提供载流子传输通道,M为载流子浓度控制元素,M = Si、Ti、Al、Nb、Ge、Mg、Hf。在高价态M元素中,Al具有很低的标准电极电势(-1.66 eV)和很强的Al-O键能(512 kJ/mol),是一种非常有效的载流子浓度控制元素,可以取代Ga获得应用,而且Al取代Ga可以进一步降低成本。因而,作为一种无铟无镓的AOS材料,ZnAlSnO(ZATO)是一种不同于InGaZnO的新的选择。

基于前期研究工作,本文设计了构型为“a-ZnAlSnO (as-grown) / a-ZnAlSnO (annealed) / a-ZnSnO (annealed)”的同质结型复合沟道层(图1)。同质结有源层中耦合了两种梯度,即微晶化和载流子浓度的梯度分布,实现了通道开关与载流子输运的分离,极大地提高了场效应迁移率,而且在保持高场效应迁移率的同时,降低了关态电流,使阈值电压正向偏移。同质复合有源层a-ZnAlSnO TFT展示了极其优异的性能,场效应迁移率高达113.8 cm2/(V·s),关态电流1.5 × 10-11 A,阈值电压–1.71 V,亚阈值摆幅0.372 V/dec,如图2所示。与单层a-ZnAlSnO TFT相比,性能得到极其显著的改善,表明了本文TFT设计策略的有效性和实用性。

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图1. (a) 超高迁移率a-ZnAlSnO TFT的器件结构示意图。(b) 同质结复合有源层的载流子传输模型。

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图2. a-ZnAlSnO TFT电学性能。同质复合有源层:(a) 输出特性曲线;(b), (c) V
DS = 20 V转移曲线。单层有源层:(d) 输出特性曲线;(e), (f) VDS = 20 V转移曲线。

本文提出了一种提高AOS TFT迁移率的设计策略,研制出了超高迁移率a-ZnAlSnO TFT,无铟AOS TFT场效应迁移率首次突破100 cm2/(V·s)。我们提供了一种有别于a-InGaZnO的一种新型高品质AOS材料,具有自主知识产权,克服了日韩美在AOS TFT领域的专利垄断和技术壁垒。本文的超高迁移率a-ZnAlSnO TFT可望在透明显示、高清显示、3D显示、柔性显示等下一代显示技术中拥有巨大应用潜力。

该文章以题为“Homojunction structure amorphous oxide thin film transistors with ultra-high mobility”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息:

Homojunction structure amorphous oxide thin film transistors with ultra-high mobility

Rongkai Lu, Siqin Li, Jianguo Lu, Bojing Lu, Ruqi Yang, Yangdan Lu, Wenyi Shao, Yi Zhao, Liping Zhu, Fei Zhuge, Zhizhen Ye

J. Semicond. 2023, 44(5): 052101  doi: 10.1088/1674-4926/44/5/052101

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通过升高温度研究氢氦离子注入GaAs表面剥离机理

当前,集成电路主要采用硅作为衬底材料。但与硅相比,砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、氮化镓(GaN)等化合物半导体具有更丰富的能带结构及更优异的电学和光学特性。此外,硅材料已经接近物理极限,如果将化合物半导体薄膜集成在硅或其他衬底上,可以在保持原有器件和工艺尺寸的基础上继续推进微电子器件的发展。受益于绝缘体上硅(SOI)材料的发展,离子束剥离和晶圆键合技术日益成熟。利用这两大关键技术就可以实现化合物半导体材料的异质集成。GaAs作为第二代半导体材料,广泛应用于半导体激光器、场效应晶体管、太阳能电池等领域。将GaAs薄膜集成到硅衬底上被认为是增强硅基光电子集成很有前景的解决方案之一。

近日,为了探索离子束剥离GaAs薄膜高效的解决方案,无锡学院郭业才教授课题组黄瑞等人通过设置多组不同剂量的氢氦离子注入GaAs衬底实验,获得了厚度约为210 nm的GaAs薄膜的高效剥离。与仅注入氢或氦离子相比,氢和氦离子联合注入可以以更低的热预算、更低的缺陷密度和更有效的方式实现GaAs薄膜的剥离。此外,结合不同的表征手段,他们确定了GaAs薄膜转移的最佳离子注入条件为2 × 1016 cm-2 的He离子和6 × 1016 cm-2 的H离子联合注入,揭示了氢氦离子注入在GaAs内部的缺陷形成过程和薄膜剥离机理。氢氦离子的联合注入提高了大尺寸GaAs薄膜的剥离效率,为GaAs薄膜转移至硅衬底上起到了积极作用。

该文章以题为“Study of surface morphology in GaAs by hydrogen and helium implantation at elevated temperature” 发表在Journal of Semiconductors上。

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图1. 退火后GaAs衬底的横截面TEM图像,(a)、(b)、(c)、(d) 和 (e) 是在200 ℃下退火1小时的TEM图像,(f) 是在250 ℃下退火1小时的TEM图像。


文章信息:

Study of surface morphology in GaAs by hydrogen and helium implantation at elevated temperature

Rui Huang, Zhiyong Wang, Hui Li, Qing Wang, Yecai Guo

J. Semicond. 2023, 44(5): 052102  doi: 10.1088/1674-4926/44/5/052102

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形貌调控提升全聚合物太阳电池的光伏性能和稳定性

活性层由聚合物给/受体组成的全聚合物太阳电池 (all-PSCs),在光伏技术领域中受到了广泛的关注。活性层的形貌调控对all-PSCs的电荷产生和载流子传输起到了十分关键的作用,并且也有助于提升器件的光伏性能和稳定性。

近日,华南理工大学应磊教授、李宁教授通过逐步加工法改善了活性层的形貌,提升了all-PSCs的光伏性能与稳定性。所使用的光伏活性层由含酰亚胺苯并三唑 (TzBI) 单元的聚合物给体PTzBI-oF与Y11嵌段共聚得到的聚合物受体PS1组成,其化学结构式如图1所示。使用非正交溶剂加工PTzBI-oF/PS1活性层,并引入一定量的二苄醚 (DBE) 作为溶剂添加剂,通过溶剂添加剂与逐步加工法的协同作用,成功调控了活性层形貌,使all-PSCs的能量转换效率 (PCE) 提高到15%以上。与此同时,逐步加工的all-PSCs具有良好的热稳定性和光稳定性。通过结合对活性层的形貌分析与一系列电学性能测试,all-PSCs长期热稳定性的改善可以归因于逐步加工法与二苄醚添加剂的协同作用,这可以实现优化的结晶度和晶体取向以及适当的相分离。这种优化的活性层形貌也使all-PSCs在持续的热老化下,可以有效地克服在混合加工法薄膜中明显提升的双分子重组和陷阱辅助重组对载流子抽提和运输的影响,不仅提升了光伏性能,也进一步提高了器件的稳定性。

工作表明,逐步加工法是一种进一步提升all-PSCs的光伏性能与稳定性的有效方法。

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图1.(a)PTzBI-oF和PS1的化学结构式;(b)逐步加工法示意图;(c)逐步加工和混合加工制备活性层的GIWAXS图;(d)器件的电流密度–电压曲线;(d)器件的热稳定性和光稳定性。


该文章以题为“Optimizing the morphology of all-polymer solar cells for enhanced photovoltaic performance and thermal stability”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息:

Optimizing the morphology of all-polymer solar cells for enhanced photovoltaic performance and thermal stability

Kang An, Wenkai Zhong, Chunguang Zhu, Feng Peng, Lei Xu, Zhiwei Lin, Lei Wang, Cheng Zhou, Lei Ying, Ning Li, Fei Huang

J. Semicond. 2023, 44(5): 052201  doi: 10.1088/1674-4926/44/5/052201

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通过2D面内异质结的构建提高Bi基半导体的光催化性能

目前,有机污染物对人类社会健康影响愈发严重。光催化降解有机污染物技术目前被视为一项有前景的绿色技术。这项技术主要是利用可持续的太阳能分解有机污染物,将其降解成对环境无害的产物。Bi基半导体被广泛应用于光催化领域。然而,目前的Bi基半导体光催化剂多数存在光吸收范围窄、载流子复合率高等问题。据报道,BiOCl的禁带宽度达3.6 eV,只能吸收紫外光,不足太阳光的5%,所以提升其在可见光下的光催化效率仍是一大挑战。经过调研发现,修饰形貌与构建异质结是提高光催化剂的两大主要方法。 

近日,江苏大学陈元平教授课题组以Bi-MOF之一CAU-17为前驱体框架,通过卤化在其棒状框架上制备出了高效的2D/2D的面内BiOCl/Bi2O3半导体异质结光催化剂。他们系统性研究了该体系光催化降解有机染料RhB与四环素的降解性能与机理,揭示了其单光子跃迁型的电子流动,有效提升了光生电子空穴对的分离率。性能测试表明,该异质结具有很高的光吸收能力,且能在20分钟内分别降解70%的四环素与90%的RhB,相比于BiOCl,其降解速率提升了248倍。通过电化学测试表明,这样的性能提高主要归因于面内异质结促进了载流子由Bi2O3流向BiOCl的速率,进而可以更进一步地提高BiOCl/Bi2O3异质结的光催化降解性能。

CAU-17的框架有效防止了纳米片的团聚,异质结的构建提升了可见光利用率。这项工作为构建具有增强光催化性能、单光子激发途径的二维面内异质结提供了一个可行的思路。

该文章以题为“One-photo excitation pathway in 2D in-plane heterostructure for effective visible-light-driven photocatalytic degradation”发表在Journal of Semiconductors上。


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图1. 样品的(a)UV-Vis DRS光谱;(b)PL光谱;(c) SPV图谱;(d) 光电流响应;(e) 电化学阻抗谱图。

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图2. 拉力应变下的激光峰值和阈值变化。(a)光照射下i-Cl样品的活性物质捕获实验;(b)i-Cl样品的ESR图谱;(c)i-Cl样品在可见光下光催化降解RhB和TC的机理。

文章信息:

One-photo excitation pathway in 2D in-plane heterostructures for effective visible-light-driven photocatalytic degradation

Mengchi Liu, Yiwen Cheng, Yuee Xie, Yingcong Wei, Jinhui Xing, Yuanping Chen, Jing Xu

J. Semicond. 2023, 44(5): 052701  doi: 10.1088/1674-4926/44/5/052701

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一种集成肖特基二极管的SiC高k超结MOSFET

SiC功率MOSFET近年来受到广泛的关注,如何优化SiC MOSFET的比导通电阻和击穿电压间的折中关系一直是热门研究课题。很多新结构相继被提出来优化这个折中关系,例如SiC超结MOSFET(SiC SJ MOSFET)和SiC高k MOSFET(SiC Hk MOSFET),但是这两个结构都存在着一些问题:由于SiC不完全电离的特性,容易导致电荷不平衡,造成SiC SJ MOSFET击穿电压下降;对于SiC Hk MOSFET来说,高k绝缘体所需要的介电常数很大,达到了200及以上。有很多高k绝缘体的介电常数能够达到200,但是这些高k绝缘体大多数都是铁电材料,不适合高速开关应用,因此对于SiC Hk MOSFET来说,找到一个合适的高k绝缘体材料是一个关键的问题。不论是SiC SJ MOSFET,还是SiC Hk MOSFET,它们的体PN结二极管的导通压降都为2.7 V,因此它们的反向续流能力受到限制。

针对上述问题,电子科技大学杨洪强研究员和孔谋夫副教授课题组提出了一种集成肖特基二极管的SiC 高k超结MOSFET(SiC Hk-SJ-SBD MOSFET),并与传统的SiC MOSFET、SiC SJ MOSFET和SiC Hk MOSFET进行了理论研究和仿真比较。图1 (a)、(b)、(c)和(d)分别是传统的SiC MOSFET、SiC Hk MOSFET、SiC SJ MOSFET和提出的SiC Hk-SJ-SBD MOSFET。提出结构与SiC SJ MOSFET相比是把漂移区当中的SiO2替换成了高k绝缘体,并在源极集成了一个肖特基二极管用来反向续流。

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图1. 器件结构图:(a) 传统SiC MOSFET; (b) SiC Hk MOSFET; (c) SiC SJ MOSFET; (d) 提出的SiC Hk-SJ-SBD MOSFET。

对于提出的SiC Hk-SJ-SBD MOSFET,高k绝缘体的引入增大了漂移区的有效介电常数εeff。同时由于漂移区中引入了P型柱,使得漂移区中的有效掺杂浓度Neff降低,即qNeff/εeff的值极小,从而使漂移区中电场的斜率接近于水平线,即提出器件获得了更佳的漂移区场分布,如图2和图3所示。当提出结构出现电荷不平衡的问题时,也就是Neff不等于零时,只需要一定量的εeff就可以减轻电荷不平衡对击穿电压的影响。因此与SiC SJ MOSFET相比,提出结构受到电荷不平衡的影响更小,如图4所示;与SiC Hk MOSFET相比,提出结构所需的εI小很多。选择介电常数为30左右的高k绝缘体是合适的,因为有很多非铁电材料的介电常数在30左右,例如La2O3、LaAlO3Ta2O5 。

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图2. 器件漂移区的二维电场分布比较。


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图3. 器件漂移区的三维电场分布比较:(a) 传统SiC MOSFET; (b) SiC Hk MOSFET; (c) SiC SJ MOSFET; (d) 提出的SiC Hk-SJ-SBD MOSFET。


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图4. SJ MOSFET和提出的Hk-SJ-SBD MOSFET的击穿电压与电荷不平衡间的关系。

与其他三种SiC MOSFET器件相比,提出器件具有更低的比导通电阻(Ron,sp),与传统MOSFET、Hk MOSFET和SJ MOSFET相比,Ron,sp分别低72.4%、23%和5.6%,如图5所示。

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图5. 器件比导通电阻的比较。

另外,由于集成了肖特基二极管,提出器件的反向恢复时间和反向恢复电荷均较其他器件有明显的提升。

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图6. 器件比导通电阻的比较。

提出的器件结构结合了SiC Hk MOSFET和SiC SJ MOSFET两者的优点,具有优越的静态和动态性能,具有很好的应用前景。

该文章以题为“A novel SiC high-k superjunction power MOSFET integrated Schottky barrier diode with improved forward and reverse performance”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息:

A novel SiC high-k superjunction power MOSFET integrated Schottky barrier diode with improved forward and reverse performance

Moufu Kong, Zewei Hu, Ronghe Yan, Bo Yi, Bingke Zhang, Hongqiang Yang

J. Semicond. 2023, 44(5): 052801  doi: 10.1088/1674-4926/44/5/052801

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适用于测量p型GaN基材料电学性能的接触方案

氮化镓(GaN)作为第三代半导体的代表,具有禁带宽度大、热导率高、击穿场强大和电子迁移率高等特性,在光电子、电力电子和射频等领域中有着广泛的应用。氮化镓p型材料性能的提升作为业内的难点之一,至今仍吸引着大量工作人员对其进行研究。霍尔测试是用于表征半导体材料电学性能最常用的方法,要求测试的样品必须具有良好的接触性能。对于p型氮化镓来说,通常需要在样品表面生长特殊的接触层并进行热退火以实现Mg激活,随后在高真空腔室中沉积高功函的金属如Pd或Ni等,在金属沉积完成后再进行额外的退火,并且通过刻蚀将接触层去除,从而确保测试得到的信息仅来自于目标p型层。这使得霍尔样品的制备变得十分复杂且费用昂贵。

近日,中国科学院苏州纳米所刘建平研究员课题采用了p-InGaN/p+-GaN作为接触层,在对生长的p型样品热退火进行Mg激活后,利用铟作为接触金属制备电极,获得了良好的欧姆接触。同一外延片上不同样品的电阻率(ρ)、迁移率μ和空穴浓度(p)的标准差约为4%。通过对样品能带结构进行分析,获得了有效导电层厚度(dC)与Mg掺杂层厚度(dMg)间的关系。通过分步刻蚀实验,证明了该接触层刻蚀与否并不影响电学性能表征结果。

通过使用该接触方案,霍尔样品制备流程得到简化,这有助于提升p型GaN基材料电学性能的反馈,提升研究工作的效率。

该文章以题为“Suitable contacting scheme for evaluating electrical properties of GaN-based p-type layers”发表在Journal of Semiconductors上。

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图1. (a) 不同刻蚀深度(dE)下非导电层厚度(dNC)的拟合结果;(b) 未刻蚀样品表面的能带图;(c) 刻蚀后样品表面能带图;(d) 方块电阻(Rsh)和有效导电层厚度(dC)间关系。
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图2. 样品刻蚀前后的电学性能对比,其中圆形图标代表了p型AlGaN/GaN超晶格,方型图标代表了p-GaN,实线与虚线均为样品刻蚀前的平均值。

文章信息:

Suitable contacting scheme for evaluating electrical properties of GaN-based p-type layers

Siyi Huang, Masao Ikeda, Minglong Zhang, Jianjun Zhu, Jianping Liu

J. Semicond. 2023, 44(5): 052802  doi: 10.1088/1674-4926/44/5/052802

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利用低温InP HEMT的非线性效应产生压缩态

本研究旨在通过InP HEMT耦合两个外部振荡器,在低温下生成并操控压缩态。首先,利用量子理论分析了晶体管在5K高频下的小信号非线性模型,并从理论上推导了相关的拉格朗日量。随后,利用勒让德变换推导出系统的总哈密顿量,该哈密顿量包含线性项和非线性项,可用于研究二者对状态随时间演化的影响。研究结果表明,晶体管的非线性可以导致压缩态的产生;更重要的是,可以通过在非线性哈密顿量中引入一些特殊项来操控压缩态。事实上,晶体管的非线性特性会导致电容、电感以及二阶跨导等效应,由此使得外部振荡器的性质也发生了变化。这些变化可能产生压缩态或操控振荡器中与压缩相关的参数。此外,理论推导还证明该电路可以产生两种模式的压缩。最后,二阶关联(光子计数统计)研究证明该电路呈现出反聚束效应特性,其中正交算符表现出压缩行为。

该文章以题为“Squeezed state generation using cryogenic InP HEMT nonlinearity”发表在Journal of Semiconductors上。

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图1. 两个外部振荡器通过非线性器件耦合的系统原理图。插入图:非线性器件内部电路。

文章信息:

Squeezed state generation using cryogenic InP HEMT nonlinearity

Ahmad Salmanogli

J. Semicond. 2023, 44(5): 052901  doi: 10.1088/1674-4926/44/5/052901

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10 在闪存存算一体架构中实现随机计算边缘提取算法

大数据和AI技术的发展对数据处理能力提出了更高的要求,而现有计算系统却受到传统架构限制面临计算效率提升的瓶颈。传统架构下处理单元和存储器之间的物理间隔使得数据需要在两者之间频繁搬运,这会受到带宽限制且造成大量的访存延迟和访存功耗。除此之外,存储器数据吞吐速度远远落后于处理器对数据的处理速度,严重影响了计算性能的提升,研究人员将其称为“存储墙”。在此背景下,存算一体将计算任务转移到存储器中执行,省略了数据搬运环节,极大地提升计算效率、降低成本,有望进一步推动人工智能的发展,成为了当下研究焦点。然而,构建高性能存算架构需要在存储介质、存算阵列和算法优化等多方面进行协同优化设计,诸多关键问题尚待突破。

山东大学陈杰智教授课题组基于NOR型闪存阵列结构提出了一种实现逻辑计算的新方法。本文在闪存存算一体架构中融合随机计算设计了一种具有高并行度、低功耗(25.5 fJ/pixel)的图像边缘提取策略,实现了高出传统二进制算法五倍的抗噪能力。闪存具有工艺成熟、阵列特性稳定等特点,而随机计算具有抗噪能力强的特点,两者相辅相成在存算一体架构中融合使两者性能优势充分发挥。同时,本文在用随机计算进行边缘提取任务之前设计了图像“三值化”的预处理,在保证计算精度的同时最大程度降低了随机计算所需要的序列长度,并且降低了功耗及硬件开销。通过模拟存储阵列中器件参数偏移情况的影响,验证了存算一体与随机计算相融合方案的高抗噪能力,为实现高性能存算一体架构提供一种有效途径。

对于高性能存算一体来讲,优秀的存储介质、存算阵列和算法缺一不可,希望本文的方法可以起到抛砖引玉的作用,使得更多的优秀算法被提出或应用到存算一体架构中来,加快存算一体技术发展应用的脚步。

本文作为封面文章、以题为“Flash-based in-memory computing for stochastic computing in image edge detection”发表在Journal of Semiconductors上。

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图1. (a) 常规与SC方法比较,SNs长度=N位。(b) 图像区域。(c) 随机计算单元,实现逻辑电路中的图像检测算法。(d) 或门实现比例加法,或门实现比例减法,异或门实现绝对值计算。(e) 逻辑运算的NOR闪存架构。

文章信息:

Flash-based in-memory computing for stochastic computing in image edge detection

Zhaohui Sun, Yang Feng, Peng Guo, Zheng Dong, Junyu Zhang, Jing Liu, Xuepeng Zhan, Jixuan Wu, Jiezhi Chen

J. Semicond. 2023, 44(5): 054101  doi: 10.1088/1674-4926/44/5/054101

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