近日，浙江大学集成电路学院张亦舒研究员团队在Applied Physics Letters期刊在线发表题为“Self-rectifying memristors with high rectification ratio and dynamic linearity for in-memory computing”的研究论文。本文第一作者为浙江大学集成电路学院硕士生张国滨。该工作得到了国家自然科学基金委员会和浙江省自然科学基金重大项目的资助。该论文被选为主编推荐文章（Featured Article）（见图1），并受到美国物理学联合会《科学之光》（AIP Scilight）的专访报道（见图2）。
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课题亮点
本研究团队选用了钨的氧化物WO₃以及high-K氧化物HfO2作为核心材料。钨是CMOS工艺中常用的金属互连材料，这使得整个器件具有与现有工艺高度兼容的优势。器件采用简单的单氧化层结构，简化了制备工艺，并有效降低了工业成本。
图3
这篇文章介绍了一种具有高整流比和动态线性度的自整流忆阻器（SRM），用于存内计算。在大数据时代，内存计算的需求日益迫切，而自整流忆阻器作为下一代计算架构中的关键组件，尤其能够缓解交叉阵列架构中的潜行路径电流问题。研究者们报告了一种Pt/HfO2/WO3-x/TiN结构的SRM，其整流比达到了令人印象深刻的106以上。通过系统研究WO3-x电阻层厚度对器件电导行为的影响，发现WO3-x电阻层中丰富的陷阱和HfO2的优异绝缘性能共同抑制了负电流，同时促进了正电流。模拟结果表明，基于所提出的SRM的交叉阵列可以实现超过21 Gbit的阵列规模。此外，使用这些SRM制造的人工突触展示了高达0.9973的线性度。总之，这些SRM在超大规模集成神经形态硬件方面展现出巨大潜力，为未来极低电路开销的超高效能硬件提供了指导。
这项研究不仅在材料和工艺上实现了创新，更为自整流忆阻器在标准CMOS制造工艺中的集成提供了可行方案。该成果为突破存储器件密度限制和推动神经形态计算的发展开辟了新的途径，为大规模存储和类脑计算应用提供了重要的技术支撑，展示了在后摩尔时代推进集成电路技术发展的巨大潜力。
研究背景
随着后摩尔时代的到来，集成电路的发展面临着传统架构的瓶颈，如何突破存储器件的密度限制成为关键。忆阻器作为新一代的非易失性存储器件，因其高密度集成和类脑计算潜力而备受关注。然而，传统的忆阻器在高密度阵列集成中会产生严重的串扰效应，影响器件的读取准确性，与CMOS工艺不兼容的材料体系也制约了其实际应用。
自整流忆阻器的出现为这一问题提供了有效的解决方案。自整流忆阻器在正向电压下导通，负向电压下截止，能够有效抑制反向电流，从而当集成于被动阵列时避免了读取高阻态器件时周边低阻态器件导致的渗透电流。这种特性使得无需额外的选择器件，就能实现高密度的无源交叉阵列，降低了制造成本和复杂度。
研究团队简介
张亦舒
浙江大学杭州国际科创中心百人计划研究员、求是科创学者，浙江省海外高层次人才
长期从事围绕新型存储器（RRAM, FeRAM等）实现的存算一体和神经形态计算研究，在相关领域发表学术论文50余篇，其中第一作者/通讯作者论文25篇，包括《Nature Communications》、《Advanced Materials》（4篇）、《Advanced Functional Materials》、《InfoMat》和《Nano Letters》（5篇）等；以第一发明人申请发明专利16项，授权6项，其中2项美国专利。参与编著由吴汉明院士主编的《集成电路制造大生产工艺技术》教材第17章。主持参与包括国家自然科学基金，科技部重点研发计划，浙江省重大基金在内的多项省部级项目。受邀担任International Journal of Extreme Manufacturing、Brain-X、Progress in Natural Science-Materials International和CMC-Computers Materials & Continua等国际学术期刊青年编委。获得包括第二届全国博士后创新创业银奖和国家优秀自费留学生奖学金等奖项。
张国滨 浙江大学集成电路学院2023级硕士生
研究方向为面向加密应用的自整流忆阻器。硕士期间在Advanced Materials、Nano Letters、International Journal of Extreme Manufacturing、Applied Physics Letters等期刊上发表论文六篇，公开、授权中国发明专利三项。
