8月18日，Nature报道了华中科技大学光学与电子信息学院/武汉国家光电研究中心李培宁、张新亮等的研究论文“Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals”，证明了传统的双折射晶体中存在“幽灵”双曲极化激元电磁波，革新了极化激元基础物理的“教科书”定义，对凝聚态物理、光物理、电磁学等领域的基础原创研究具有重要指导意义（详细报道：华中科技大学及合作单位最新Nature！）。8月19日，Science上线华中科技大学叶镭、上海技物所胡伟达的研究论文，本文将对这篇文章进行介绍。
▲第一作者：Lei Tong
通讯作者：叶镭，胡伟达
通讯单位：华中科技大学，中科院上海技术物理研究所
DOI：10.1126/science.abg3161
近年来，利用二维材料作沟道的铁电存储器、铁电双极性结型晶体管、铁电隧穿器件证明了优异的性能，如高开关比、高操作速率、低功耗、非易失等特性。得益于高效的栅极调控能力，二维材料在新型神经元器件中作为存储器（MO）大受关注。在实际应用过程中，二维存储器往往需要和实现逻辑信号处理的外电路（ASP）联合使用，构成ASP+MO结构。由于外围电路通常基于CMOS结构实现，异构架构的存在使得在芯片设计中需额外考虑模块集成兼容性问题。基于同构器件结构的ASP-MO集成系统有望解决上述问题，可以通过二维材料-铁电材料的邻近耦合机制进行设计：1. 铁电材料可作为二维材料的非易失栅极，设计非线性晶体管，如p-n二极管、BJT等（ASP）；2. 铁电极化可以调节BJT中的内建电势，实现非易失性存储功能（MO）。此外，铁电极化的可重构特性有助于实现对二维材料的定点掺杂，提高二维器件阵列的致密性与集成度。
基于以上讨论，来自华中科技大学的叶镭课题组与中科院上海技物所的胡伟达团队合作，提出了一种基于二维材料铁电临近耦合机制的BJT架构，用于实现同构ASP-MO集成系统。该工作设计了无缝排列的周期极化LiNbO3(LNO)畴形成的类光栅结构，利用跨越三个FE畴的WSe2沟道作为最基础的器件单元。文章设计了基于运算放大器(OPAMP)的ASP，具有可编码权重的存储器件与OPAMP串联。基于ASP-MO结构设计了2T2R配置的三元寻址存储器(TCAM)，其高阻状态(HRS)与低阻状态(LRS)之间的比值达898.4。文章提出的集成系统架构为解决异构问题、改进对应的神经形态应用提供了一种可行的方法。
▲图1. 基本器件及其工作机制。
(A) WSe2/LNO非线性晶体管基本器件的结构。
(B) LNO在WSe2中诱导的FE临近诱导掺杂。
(C) WSe2/LNO存储器件的结构。
(D) 图C中存储器件的增强和抑制机制，其中LRS和HRS分别通过改变基极在正栅压和负栅压下的FE极化状态来控制。
(E, F) 共基极(common-base)和共发射极(common-emitter)模式下器件的输出特性。
(G, H) 增强与抑制过程中的电流整流特性。
(I) Pu-Pd-Pu与Pu-Pu-Pu模式下沟道阻值的变化，Pu、Pd分别为向上极化与向下极化。
(J) 增强与抑制过程中的沟道电导的逐步变化。
▲图2. 基于运算放大器（OPAMP）的模拟信号运算（ASP）。
(A,B,C) OPAMP的设计(A,C)及电路结构(B)。
(D-I) 输入模拟信号(D)、OPAMP的同相(E)和反相(F)输出、加法运算(G)、对方波信号的模拟积分运算及对应的三角波输出(H)、对三角波信号的模拟积分运算及对应的正弦波输(I)。
▲图3. 用于二进制分类的ASP-MO集成系统。
(A) 类别“1”包含字母图案“H”、“U”、“S”、“T”；类别“0”包含数字图案“2”、“0”、“2”、“1”。
(B) sigmoid激活函数分类示意图（对中央区的信号增益较大，对两侧区的信号增益小，常用于信号的特征空间映射）。
(C) 与sigmoid激活函数对应的电路图，其中存储器件集成了跨导放大器(将权重电流转换为电压Score(V))与电压比较器（与Vref做比较，用于sigmoid激活函数，具有类S型的输出输出特性，见图(D)）。
(E-G) 训练数据集标签(E)，以及模拟(F)和实验中(G)的预测类。
(H-J) 模拟和实验中训练过程的平均得分(H)、准确度(I)和代价(J)。
▲图4. 基于同构晶体管-存储器架构的2T2R三元内容寻址存储器(TCAM)单元。
(A, B) 位变量为“1”的TCAM单元。
(C, D) 位变量为“0”的TCAM单元。
(E和F) 位变量为“X”的TCAM单元。
(H) 读取位变量为“1”的TCAM单元。TCAM cell处于匹配(不匹配)状态，BJT1开启，BJT2关闭(BJT1关闭，BJT2开启)。
(I) 读取位变量为“X”的TCAM单元。无论BJT1和BJT2的开/关状态如何，TCAM单元始终处于匹配状态。
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/early/2021/08/18/science.abg3161
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