客户成果丨华南师范大学《ACS Nano》：面向三维集成电子与神经形态视觉的铁电环绕栅极晶体管

华南师范大学电子科学与工程学院（微电子学院）霍能杰研究员团队在面向三维电子与低功耗神经形态计算的边缘计算器件领域中取得最新进展，该研究成果以“Ferroelectric Gate-All-Around Transistors for 3D-Integrated Electronics and Neuromorphic Vision”为题发表在《ACS Nano》上。该研究通过铁电全环绕栅晶体管的架构设计，实现了超低功耗逻辑开关、三维集成电子与人工神经元功能的协同融合，构建了面向边缘智能计算的多功能器件新范式，为新一代高能效边缘智能硬件的发展开辟了新路径。

人工智能和物联网技术的快速发展对电子器件提出了高性能、低功耗和高集成度的要求。而传统硅基晶体管面临着物理缩放极限与功耗挑战，针对这一问题，研究团队构建了一种铁电全环绕栅极晶体管（Fe-GAA-FET），该器件采用二维(2D)铁电材料CuInP2S6(CIPS)作为全环绕栅介质，对MoS2沟道实现了强静电调控。得益于铁电材料的负电容效应，器件成功突破了玻尔兹曼极限，获得了最低25.3 mV dec-1的亚阈值摆幅（SS）、108的开关比以及310 cm2 V-1 s-1的场效应迁移率，兼具快速开关、高迁移率和超低功耗等优势。

图1 Fe-GAA-FET的逻辑开关特性。（a-b）器件的输出与转移特性曲线。（c）器件的亚阈值摆幅特性。（d）器件的场效应迁移率。（e-f）不同沟道厚度对器件性能的影响。（g）与已报道的二维晶体管的性能对比。（h-i）器件性能的统计分布与长期稳定性测试结果。

在此基础上，依托2D材料天然的堆叠特性，团队进一步构建了垂直互补式的CMOS反相器及NOR逻辑门。相比传统平面架构，该三维集成方案将占用面积减少约50%，在1 V供电电压下，所构建的反相器实现了12.11的电压增益，静态功耗为10.8 nW，展现出优异的逻辑开关性能与高密度集成潜力。

图2 构建的垂直互补式逻辑电路。（a）垂直互补式CMOS反相器的结构示意图。（b）不同供电电压下的电压传输特性。（c）反相器的电压增益。（d）反相器的功耗。（e）垂直互补式NOR逻辑门的结构示意图。（f）NOR门的动态逻辑功能。

除了数字逻辑应用外，研究团队还充分利用2D铁电材料CIPS的极化特性，在同一器件平台上实现了脉冲神经元功能。传统CMOS神经元通常需要额外电容和复位电路，而Fe-GAA-FET依靠铁电极化与退极化过程即可模拟 “泄漏—积分—发放”（Leaky Integrate-and-Fire，LIF）神经元行为，大幅降低硬件复杂度和能耗。实验结果表明，该器件在超过103次循环测试中保持稳定工作，单次脉冲发放能耗为1.09 pJ。进一步地，研究团队基于该器件构建脉冲神经网络（SNN），在DVS128 Gesture数据集上实现了92.71%的识别准确率，验证了其在边缘智能领域的应用潜力。

图3 Fe-GAA-FET实现神经元功能。（a-b）生物神经元与LIF神经元工作机制示意图。（c）神经元膜电位的变化过程。（d）器件神经元功能的循环稳定性测试。（e-g）不同脉冲条件下的积分发放行为。

该研究为突破传统冯·诺依曼架构限制提供了新思路，相关成果未来有望在智能终端、可穿戴设备、机器人视觉、工业安防监控等前沿领域发挥重要作用。

作者信息介绍：华南师范大学电子科学与工程学院（微电子学院）硕士研究生陈雯洁为论文的第一作者，霍能杰研究员为论文的唯一通讯作者。

该工作通过使用TuoTuo Technology（UV Litho-ACA）的无掩模光刻机完成了晶体管和逻辑电路的电极制备工作。此项研究工作获得国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目的持续支持。目前，相关技术已申请发明专利1项。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.6c02136