Корейские исследователи раскрыли механизм деградации надёжности сегнетоэлектрических ИИ-полупроводников под воздействием нейтронного облучения

Национальный университет Чонбук (Южная Корея) 20-го числа объявил, что группа профессора Пэ Хак Ёля с кафедры электронной инженерии инженерного факультета совместно с группой профессора Ким Тхэ Вана из Сеульского национального университета и стартапом Q-Beam Solution, созданным при Корейском институте атомной энергии, провела исследование, в котором проанализировала причины деградации характеристик сегнетоэлектрических запоминающих устройств следующего поколения и нейроморфных полупроводниковых приборов в условиях нейтронного облучения. Результаты опубликованы в последнем номере журнала ACS Applied Electronic Materials.

Сегнетоэлектрические полупроводники, способные сохранять поляризационное состояние после отключения питания, рассматриваются как важное перспективное направление для энергонезависимой памяти следующего поколения и нейроморфных вычислительных устройств. Нейроморфные вычисления пытаются реализовать хранение и вычисления одновременно в одном устройстве, имитируя работу синапсов человеческого мозга, что, как ожидается, позволит смягчить “бутылочное горлышко фон·Неймана” в традиционных вычислительных архитектурах.

В ходе исследования группа сосредоточилась на изучении изменений в двумерных сегнетоэлектрических полупроводниковых синаптических транзисторах после нейтронного облучения. Эксперименты показали, что нейтронное облучение вызывает не только снижение тока, но и ослабление переноса заряда за счёт дефектных ловушечных состояний, а также увеличивает неопределённость синаптических весов. Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия показала изменение соотношения селена и индия в плёнке после облучения; электрофизический анализ выявил увеличение плотности дефектов электронных ловушек, что, в свою очередь, влияет на процесс переноса заряда, регулируемый сегнетоэлектрической поляризацией.

В частности, после нейтронного облучения ток стока прибора снизился примерно на 88,95%, а отношение окна памяти к диапазону сканирования, отражающее характеристики хранения, уменьшилось примерно на 48,20%. Тем не менее, характеристики переключения сегнетоэлектрической поляризации прибора сохранились. На основании этого исследовательская группа пришла к выводу, что деградация характеристик обусловлена не полной потерей поляризации, а тесно связана с захватом заряда и снижением переноса, вызванными дефектными ловушечными состояниями, индуцированными нейтронным облучением.

Исследование также показало, что такая деградация может дополнительно влиять на работу нейроморфных синапсов. После нейтронного облучения нелинейность обновления синаптических весов возрастает, а динамический диапазон сужается, что приводит к снижению точности логического вывода искусственных нейронных сетей. Это указывает на то, что радиационные дефекты могут влиять не только на электрические характеристики отдельных полупроводниковых приборов, но и на надёжность вычислений искусственного интеллекта на системном уровне.

Пэ Хак Ёль отметил, что для стабильной работы полупроводников с искусственным интеллектом следующего поколения в экстремальных условиях, таких как космос, помимо повышения характеристик приборов необходимо также системное понимание влияния радиационно-индуцированных дефектов в полупроводниках. Данное исследование, прояснив пути деградации двумерных сегнетоэлектрических полупроводниковых запоминающих устройств и нейроморфных приборов под воздействием нейтронного облучения, обеспечивает ключевую физическую основу для проектирования полупроводниковых приборов и оценки их надёжности в радиационной среде.