韩国研究团队揭示中子辐照导致铁电AI半导体可靠性下降机制

韩国全北国立大学20日宣布，该校工程学院电子工程系裴学烈教授团队与首尔大学金泰完教授团队、韩国原子能研究院旗下初创公司Q-Beam Solution联合开展研究，分析了下一代铁电存储器和神经形态半导体器件在中子辐照环境下的性能退化原因。相关成果已发表在《ACS应用电子材料》最新一期。

铁电半导体因断电后仍可保持极化状态，被视为下一代非易失性存储器和神经形态计算器件的重要候选方向。神经形态计算试图在单一器件内同时实现存储和计算，模拟人脑突触工作方式，被认为有望缓解传统计算架构中的“冯·诺依曼瓶颈”。

研究团队此次重点考察了二维铁电半导体突触晶体管在中子辐照后的变化。实验显示，中子辐照不仅会造成电流下降，还会通过缺陷相关陷阱态削弱电荷传输，并增加突触权重的不确定性。能量色散X射线光谱分析表明，辐照后薄膜中硒与铟的成分比发生变化;电学分析则显示，电子陷阱缺陷密度增加，进而影响由铁电极化调控的电荷传输过程。

具体来看，中子辐照后，器件漏极电流下降约88.95%，反映存储特性的存储窗口与扫描范围之比下降约48.20%。不过，器件的铁电极化开关特性仍得以保持。研究团队据此认为，性能下降并非源于极化完全丧失，而是与中子辐照诱发的缺陷相关陷阱态导致的电荷俘获和传输减少密切相关。

研究还发现，这类退化会进一步影响神经形态突触运行。中子辐照后，突触权重更新的非线性增强、动态范围缩小，导致人工神经网络推理精度下降。这表明，辐射缺陷不仅会影响单个半导体器件的电学性能，也可能影响系统层面人工智能计算的可靠性。

裴学烈表示，若要使下一代人工智能半导体在太空等极端环境下稳定运行，除提升器件性能外，还需要系统理解辐射诱发半导体缺陷带来的影响。该研究通过梳理二维铁电半导体存储器和神经形态器件的中子辐照退化路径，为辐射环境下半导体器件设计和可靠性评估提供了关键物理依据。