向下一代低功耗类脑铁电芯片奋飞

　　文／徐　飞

　　行业专家学者普遍认为，芯片是现代工业的“粮食”，是信息技术产业最重要的基础性部件。从手机、计算机、汽车，到高铁、电网、工业控制，再到物联网、大数据、云计算…… 这些领域产品的生产和更新换代都离不开芯片产业。

　　然而，随着硅基集成电路芯片已逼近物理成本和经济成本上的极限，芯片工艺制程发展减缓，摩尔定律面临失效危机。如何抓住后摩尔时代的发展机遇，在半导体芯片产业占据优势地位，成为各国苦思的问题。

　　如果要解决问题，发展下一代高性能集成芯片是必然趋势。最重要的是要在物理、结构、材料等方面有新突破，才能脱离硅基集成电路芯片的束缚。浙江大学杭州国际科创中心科创百人研究员及浙江大学微纳电子学院兼聘研究员薛飞从凝聚态物理角度切入，正带领学界向下一代低功耗类脑铁电芯片奋飞。

　　聚焦低维铁电压电信息器件

　　2011 年7 月，薛飞从中国地质大学（北京）电子信息工程专业毕业后，由于期间学习过集成电路相关课程，自此决定了他一生追逐的芯片梦。之后，薛飞报考了中国科学院大学，师从世界顶尖科学家王中林院士，开始攻读凝聚态物理专业的研究生和博士学位，开始从事新型信息功能电子器件的研发工作。

　　新技术发展一日千里，智能感知的重要性在薛飞的思考中占比日益增加。在对应力感知逻辑元器件进行探索时，薛飞发现基于超薄二维材料异质结的压电电子学/ 光电子学二极管和晶体管，对发展原子尺度的应力感知逻辑元器件大有助益，还能降低新兴技术产品或者器件的终端能耗。所以在王中林院士的指导和帮助下，薛飞积极发展应力感知的高性能压电光电子学二极管和压电电子学晶体管，将应力感知与光感知有效融合在逻辑计算元器件中。

　　在其后的博士后科研阶段，薛飞放弃了来自美国高校的机会，选择到沙特阿卜杜拉国王科技大学开展工作。薛飞先后跟随电子材料领域知名学者李连忠教授和张西祥教授，专注于低维铁电存储材料与器件的研究，以期研发出下一代集成存储芯片。

　　二维铁电器件对发展下一代类脑存储芯片具有重要意义。薛飞聚焦低维铁电信息器件的科研方向，以感知、存储和计算功能的融合机制为核心，开展信息功能器件领域关键科学问题的系列研究。

　　铁电存储器件具有出众的器件性能和广泛的应用场景，是发展感知存储计算功能信息器件的有利竞争者，但到目前尚存着诸多器件层面的物理现象争议，如铁电存储的物理机制、铁电临界厚度等。

　　针对这些问题，薛飞展开了研究。首先对铁电阻变的具体机制进行了实验，揭示了铁电阻变现象的具体机制是由铁电极化、肖特基势垒变化和初始势垒高度物理变量决定的，打破了传统观念的阻变机理认识。接着对铁电临界厚度的存在进行实验，发现了铁电存储材料的单原子层铁电极化，打破了传统材料中“临界厚度”的认知。深入研究发现，在单层铁电与材料厚度无依赖关系的反常二维压电特性，证实了单层面内面外压电的奇特现象。最后，薛飞带领团队提出了质子诱导并稳定铁电多相的新方法，为实现原子层、高性能的铁电感知存储计算器件提供了物理基础。

　　薛飞厚积而薄发，利用电场作用下二维铁电的面内面外极化自锁现象，提出了可沿多方向调节铁电阻变的全新铁电忆阻器。不仅如此，他还基于此策略开发了低能耗、多终端铁电类脑计算器件。通过牢牢把握二维铁电器件在有监督和无监督模式下高图像识别率的特点，薛飞提出了全新的阵列式铁电集成系统，以期实现高速、低能耗的铁电感存算系统。通过克服光子和铁电极化翻转的巨大能量差，薛飞尝试将光控铁电极化的物理现象运用到器件层面上。这一首创让薛飞成功研发出高性能的光感知铁电类脑存储器件，指引了学界研发实现低功耗阵列式铁电感知存储计算硬件的方向。

　　薛飞的研究工作被Nature、Science、Rev. Mod. Phys.、 IEEE IEDM、Nat. Nanotechnol. 、Nat. Electron. 等杂志引用超过1900 次。独立工作后，薛飞收到Adv. Funct. Mater. 和 Nanoscale 杂志的约稿请求，应邀在13 届亚太物理中心多铁材料会议、欧洲先进材料大会等国际会议作邀请报告，受聘为微电子领域老牌期刊Microelectronic Engineering 副主编（该期刊成立于1983 年）。

　　构筑三端新型铁电集成系统

　　2021 年12 月，薛飞成为浙江大学杭州国际科创中心科创百人研究员（PI）及浙江大学微纳电子学院兼聘研究员，决心以一片丹心报效祖国，解决芯片研制的基础科学技术难题。

　　他希望构筑出基于三端结构的新型铁电集成系统，实现集成系统外接电路的精简，发展融合信息存储和信息处理功能于一体的感存算二维铁电存储芯片，并探索阵列在面向深度学习的人工智能领域的应用。

　　具体而言，存储器能保存海量数据是新兴科技发展的必然要求，也是在满足人们生产、生活的实际需求。而要成功提升器件存储容量就要提升单个器件的比特数。从科学角度解析，这实质上就是要求集成芯片中的存储单元能够实现更多的电阻态。薛飞瞄准这个目标发力，实现了二维铁电存储器件3 比特的数据存储量。通过前期悉心钻研发现铁电存储机制是由3 个变量决定后，薛飞分析认为，只要通过沟道铁电畴的工程化设计和电极/ 铁电材料的界面设计，就极有可能成功调控这3 个变量，进而实现大幅度提升数据存储比特数的目标要求。

　　当面临后摩尔时代芯片微缩和降低能耗的困难时，类脑芯片给出了满意的答案。它能模拟人类大脑的工作方式，突破现有冯诺依曼架构的束缚，打造新型人工神经网络系统，大幅度提高计算性能和集成度，并降低运行功耗。二维铁电类脑芯片具硅基芯片不具备的更强收缩性，还具有丰富的芯片传感功能。基于二维铁电类脑芯片这些宝贵的特性，薛飞提出更具有科学性的铁电器件结构，不仅利用模拟的方法证明了α-In2Se3 神经网络的图形识别率可达98%，而且还指出未来可行的铁电神经网络集成方案——构筑高稳定性和高一致性的二维铁电阵列。

　　围绕满足芯片自主化的国家战略需求目标，学界有志之士云集于芯片发展领域，见仁见智，各显神通。薛飞就是其中的一员，在实现中华民族伟大复兴的背景下，他不忘初心，用自己的聪明才智和学术积累，为实现“中国梦”“人生梦”“学术梦”而一往无前。

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