导读

数字时代，数据存储与处理速度已成为技术发展的关键瓶颈。尤其在人工智能和物联网技术的推动下，对海量数据的感知、存储与处理提出了更高的要求。传统存储器件在数据传输和处理上存在速度慢和功耗高的缺陷，亟需一种新型存储技术来突破这一瓶颈。近期，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所黎大兵研究员与孙晓娟研究员领导的科研团队以“Nonvolatile and reconfigurable two-terminal electro-optic duplex memristor based on III-nitride semiconductors”为题在《Light: Science & Applications》期刊上发表的研究成果，为这一难题提供了可能的解决方案。他们研发的基于III-氮化物半导体的非易失性光电双工忆阻器，不仅在电存储性能上表现优异，还具备了可光控存储的特性，为未来智能计算和数据存储开辟了新的道路。

主要内容

该研究团队通过精心设计，成功实现了一种基于AlScN/GaN异质结的肖特基二极管型非易失性光电双工忆阻器，如图1a所示。这种忆阻器巧妙地结合了AlScN材料优异的铁电特性和GaN材料的优异光电特性，使其在电和光存储两种模式下均展现出了卓越的性能。

电存储模式下，存储器的电阻状态改变源于AlScN层的铁电极化翻转，这一过程通过影响器件的耗尽区宽度和电子传输势垒高度来实现。研究中发现，通过施加不同方向的偏压，可以触发AlScN层的铁电极化翻转，如图1b所示，从而在高阻态（HRS）和低阻态（LRS）之间循环多次切换，如图1c~e所示，实现了可编程存储与读取功能。

图1 、AlScN/GaN异质结肖特基二极管的电驱动存储特性。（a）器件结构示意图；（b）器件在不同初始电压下的电回滞曲线；（c）高阻态下器件重置-读取-零偏放置-读取过程的电流输出；（d）低阻态下器件写入-读取-零偏放置-读取过程的电流输出；（e）写入-读取-擦除-读取编程过程及其电流输出

光电存储模式下，存储器的存储窗口可以通过调节光强来控制，如图2a所示，随着光强的增加，存储器的极化反转电压显著降低，证明了器件的光学存储性。这是因为GaN空间电荷区的光导效应和光生载流子引起的电子传输势垒降低效应，可以调节施加到AlScN层的偏压，从而改变整体器件阻态变化的临界电压。同样，在光写入-电读取-电擦除的编程模式下，器件展现了良好的可重构特性，如图2b~c所示。

此外，研究团队还探索了该存储器在纯电学编程、光电混合编程模式下的逻辑运算应用潜力。通过两个忆阻器器件和外部电阻的协同工作，成功复现了“IMP”真值表和逻辑“False”操作，展示了其在内存计算领域的广阔应用前景。

图 2、AlScN/GaN异质结肖特基二极管的光电混合驱动特性。（a）暗态及不同光强下的正向电回滞曲线；（b）光写入-读取-电擦除编程过程及其电流输出；（c）100次编程过程器件电流输出特性

总结与展望

该研究开发的非易失性光电双工两端忆阻器，在电和光存储性能上取得了突破，在内存计算领域展现出了巨大潜力。这项工作为智能计算和数据存储技术的发展提供了新的思路和工具。未来的工作中，研究团队将继续优化材料的晶体质量，探索更复杂的多态存储机制，推动该感存算一体化技术的发展进程。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01422-4