Development of realtime-learning hardware using ferroelectric/antiferroelectric transistors

• Project/Area Number: 23K20951
• Project/Area Number (Other): 21H01359 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: トープラサートポン カシディット 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (00826472)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2026: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2025: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2024: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2022: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2021: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000)
• Keywords: 強誘電体 / リザバーコンピューティング / 機械学習 / トランジスタ / 強誘電体トランジスタ / 酸化ハフニウム / 酸化ジルコニウム / MOSFET / リザバー計算 / 反強誘電体

Outline of Research at the Start

IoT社会に向けてIoT端末から取得した膨大な時間変動データを情報処理する低消費電力・高性能な人工知能技術が強く求められる。本研究は、時間変動データの機械学習を効率的に実行できるリザバーコンピューティングを、Siトランジスターのプラットフォーム上で実装できる強誘電体・反強誘電体トランジスターで実現し、低消費電力かつリアルタイム学習で処理可能な革新的AI技術の基礎学理の確立を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

IoT社会に向けて膨大な時間変動データをエッジ端末で学習・情報処理する技術が強く求められる。本研究は、時系列データの機械学習を効率的に実行できるリザバーコンピューティングを、シリコンプラットフォーム上で実装できる(反)強誘電体トランジスタで実現し、低消費電力かつリアルタイム学習で処理可能な革新的AI技術の基礎学理の確立を目指す。その目的を達成するためには以下の項目で研究を実施した。
(1)高性能な素子作製プロセスの確立：反強誘電性をもつジルコニアは、これまでの先行研究ではシリコン上で成膜されると反強誘電性を失ってしまうことが報告されていたが、本研究では成膜条件を最適化することでシリコン上でも良好な反強誘電性をもつジルコニア膜を成膜することに成功した。その結果、シリコン上の反強誘電体トランジスタの実証に成功し、良好な電流電圧特性のデバイスが確認できた。
(2)強誘電体トランジスタの動作の理解：強誘電体の諸特性が強誘電体トランジスタのメモリウィンドウにどのように影響を与えるかを明らかにすべく、コンパクトモデルを構築した。トランジスタに応用する強誘電体は、高い抗電界をもつこと、残留分極が誘電率と抗電界の積の3倍程度をもつこと、半導体との界面にトラップ電荷が少ないことが、大きいメモリウィンドウの強誘電体トランジスタを得るのに重要な要素であることがモデルから明らかになった。
(3)リザバーコンピューティング動作の信頼性：強誘電体トランジスタは動作中に高い電荷密度を半導体/強誘電体界面に誘起することで界面劣化が進み、不揮発性メモリ素子に応用する際に大きな課題として認識されている。一方で界面劣化にもかかわらず、随時学習によってリザバーコンピューティングの高性能を維持できることを実証した。これはリザバーコンピューティングは界面劣化の影響を大幅に低減でき、高信頼性の動作ができることが分かった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

(1)高性能な素子作製プロセスの確立：反強誘電膜の作製および反強誘電トランジスタの作製がチャレンジングな課題だと思われていたが、成膜条件を最適化することにより作製に成功して研究計画が順調に進んだ。さらに、良好なサブスレッショルド特性、反強誘電性特有の単極メモリ動作、分極電流ピークの存在をはじめとする優れた電気特性も得られており、反強誘電トランジスタを用いたリザバーコンピューティングにすぐに取り組める状況である。
(2)強誘電体トランジスタの動作の理解：コンパクトモデルを構築したことで、強誘電体の膜性質が強誘電体トランジスタにどのように影響を与えるかが明らかになり、強誘電体トランジスタの静的な挙動を理解することができた。このモデルおよび分極ダイナミクスを反映するモデルを用いて今後のデバイス設計に用いることでより優れたデバイスを作製できる見込みである。
(3)リザバーコンピューティング動作の信頼性：当初予定していた強誘電体トランジスタを用いたリザバーコンピューティングの信頼性について多くの知見を得られ、さらに、強誘電体トランジスタの特性とリザバーコンピューティング性能との関係の基礎的な理解も深めた。

Strategy for Future Research Activity

強誘電体トランジスタだけでなく、作製に成功した反強誘電体もリザバーコンピューティングに適用し、動作を実証する予定である。また、取り組んでいるリザバーコンピューティングの動作電圧がやや高く、低消費電力を実現するためには低動作電圧化を実現する必要がある。そのためには、現状の素子で動作電圧を低くした際にリザバーコンピューティングの性能がどのようになるかを調べつつ、強誘電体の薄膜化など素子の工夫を視野に入れる。さらに信頼性のもう一つの指標である保持特性も系統的に調べて、最適な動作条件や適した素子構造を明らかにする予定である。

Research Products

• [Presentation] Experimental demonstration of novel scheme of HZO/Si FeFET reservoir computing with parallel data processing for speech recognition (2022)
  • Author(s): E. Nako, K. Toprasertpong, R. Nakane, M. Takenaka, and S. Takagi
  • Organizer: 2022 Symposia on VLSI Technology and Circuits
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 多端子FeFETのリザバーコンピューティングによる非線形時系列予測の性能評価 (2022)
  • Author(s): トープラサートポン カシディット，名幸瑛心，王澤宇，中根了昌，竹中充，高木信一
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 強誘電体MFMキャパシタを用いたリザバーコンピューティングの実証と動作電依存性 (2022)
  • Author(s): 名幸瑛心，トープラサートポン カシディット，王澤宇，中根了昌，竹中充，高木信一
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] HfxZr1-xO2強誘電体を用いたGe MFIS構造の界面特性が分極反転挙動に与える影響 (2022)
  • Author(s): 岩重宏一郎，トープラサートポン カシディット，竹中充，高木信一
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] HfZrO2-based ferroelectric FETs for emerging computing technologies (2021)
  • Author(s): K. Toprasertpong, E. Nako, Z. Wang, C. Matsui, R. Nakane, K. Takeuchi, M. Takenaka, and S. Takagi
  • Organizer: 2021 International Workshop on Dielectric Thin Films for Future Electron Devices: Science And Technology (IWDTF)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Four-terminal polarization-voltage measurement technique for analyzing polarization characteristics of ferroelectric FETs (2021)
  • Author(s): K. Toprasertpong, M. Takenaka, and S. Takagi
  • Organizer: 2021 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] HfZrO-based ferroelectric devices for lower power AI and memory applications (2021)
  • Author(s): S. Takagi, K. Toprasertpong, K. Tahara, E. Nako, R. Nakane, Z. Wang, X. Luo, T. E. Lee, and M. Takenaka
  • Organizer: 240th ECS Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Impact of endurance characteristics of FeFETs on reservoir computing capabilities (2021)
  • Author(s): E. Nako, K. Toprasertpong, R. Nakane, Z. Wang, M. Takenaka, and S. Takagi
  • Organizer: 2021 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 極低消費電力メモリ・ロジック・AI応用に向けたHfZrO2系FeFETへの期待 (2021)
  • Author(s): 高木信一，トープラサートポン カシディット，Xuan Luo，名幸瑛心，王澤宇，李宗恩，田原建人，竹中充，中根了昌
  • Organizer: 電子情報通信学会 SDM研究会
  • Invited
• [Presentation] 強誘電体HfxZr1-xO2の極薄膜化による低電圧保持特性と書換回数の向上 (2021)
  • Author(s): トープラサートポン カシディット，田原建人，彦坂幸信，中村亘，齋藤仁，竹中充，高木信一
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 強誘電体デバイスを用いたリザバーコンピューティング (2021)
  • Author(s): 高木信一，トープラサートポン カシディット，名幸瑛心，王澤宇，竹中充，中根了昌
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] FeFETの電気特性劣化がリザバーコンピューティングにもたらす影響 (2021)
  • Author(s): 名幸瑛心，トープラサートポン カシディット，王澤宇，中根了昌，竹中充，高木信一
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 低電圧動作・低温プロセス・高エンデュランスの極薄膜HfO2系強誘電体の実証－微細技術ノードの混載メモリへの展開－ (2021)
  • Author(s): トープラサートポン カシディット，田原建人，彦坂幸信，中村亘，齋藤仁，竹中充，高木信一
  • Organizer: 電子情報通信学会 ICD/SDM/ITE-IST研究会
  • Invited
• [Presentation] Si/HZO強誘電体FETの動作機構－MOS（MFIS）界面で起こる現象－ (2021)
  • Author(s): トープラサートポン カシディット，李宗恩，Zaoyang Lin，田原建人，渡辺耕坪，竹中充，高木信一
  • Organizer: 電子情報通信学会 SDM研究会
  • Invited
• [Remarks] 研究室
  • URL: https://sites.google.com/g.ecc.u-tokyo.ac.jp/mosfet/
• [Remarks] Researchgate
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Kasidit-Toprasertpong