基于全钙钛矿多铁隧道结的超快、低功耗、非易失、多态信息存储

大数据背景下人工智能时代的来临催生了信息存储和处理技术深度变革。现有的传统数据存储和处理方案利用快速但易失的静态/动态随机存储器（SRAM缓存/DRAM内存）作为与中央处理器（CPU）直接交换数据的临时存储媒介，用以获得快速的数据处理，但其断电之后数据不能保存。而用于存储大量数据的磁盘、闪存、光盘等非易失存储器速度慢（0.1~100ms）。这种模式不可避免地导致了数据处理慢、能耗高等问题，难以满足人工智能继续发展的需求。所以，几乎全球的所有存储厂商和相关科研工作者都在致力于探索和开发可以媲美或替代传统DRAM、SRAM、Flash等存储器的新一代具有超快、低功耗特性的非易失存储器。

近期，中国科学技术大学李晓光教授和殷月伟教授课题组选择具有磁电耦合存储特性的多铁隧道结（Multiferroic Tunnel Junction）作为研究对象，开发了一种具有超低功耗、快速处理、多阻态的全图形化Crossbar结构器件。在该工作中，研究者利用铁磁材料La0.7Sr0.3MnO3作为上下电极以及用铁电材料BaTiO3 作为隧穿势垒，构建了La0.7Sr0.3MnO3/BaTiO3/La0.7Sr0.3MnO3全钙钛矿多铁隧道结。研究者发现该隧道结的电阻随时间的演变行为可以用铁电翻转动力学模型很好地描述；更重要的是，利用其铁电翻转机理，在10×10μm2原型器件中实现了6 ns高速、可逆、多电阻状态的擦写操作，其写入电流密度低于3×103A/cm2。而且，可在一个隧道结存储单元中实现至少4个铁电相关阻态，结合不同铁磁构型则有至少8个非易失的电阻存储状态。此外，研究者还发现，通过降低隧道结尺寸至1μm量级，可以将写入电流密度降低至1.6×103A/cm2、功耗降低为4.4pJ/bit；如果将该多铁隧道结原型器件特征尺寸缩小至50nm，相应的写入操作功耗可低于1fJ/bit。

该研究成果突显了多铁隧道结在超快、低功耗和非易失高密度信息存储中的应用潜质，将为推动大数据背景下人工智能的进一步发展提供一种变革性的存储方案。

相关论文发表在Advanced Electronic Materials(DOI: 10.1002/aelm.201700560)上。